CH708302A2

CH708302A2 - CrMoV-Stahl-Gusslegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung in Turbinen.

Info

Publication number: CH708302A2
Application number: CH01040/14A
Authority: CH
Inventors: Deepak Saha; Subrahmanyam Thangirala; Jeffrey Michael Breznak; Steven Louis Breitenbach
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-01-15
Also published as: GB201412142D0; CH708302B1; JP6550566B2; GB2519394B; DE102014109710A1; JP2015017328A; GB2519394A; US9206704B2; US20150017462A1

Abstract

Es wird allgemein eine Gusslegierung zusammen mit Verfahren zum Bilden der Gusslegierung und Komponenten bereitgestellt, die aus der Gusslegierung konstruiert sind (z.B. stationäre Komponenten einer Turbine). Die Gusslegierung kann, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen, wahlweise geringe Mengen anderer Legierungsbestandteile und übliche Verunreinigungen einschliessen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Stahllegierungs-Gusskörpern und verwandten Verfahren und Gegenständen. In einer Ausführungsform wird allgemein eine CrMoV-Stahl-Gusslegierung für hohe Temperatur und hoher Festigkeit zusammen mit Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes daraus offenbart.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Komponenten von Dampfturbinen, Gasturbinen, Gasturbinentriebwerken und Strahltriebwerken unterliegen entlang ihren axialen Längen einem Bereich von Betriebsbedingungen. Nicht nur die unterschiedlichen Betriebsbedingungen komplizieren die Auswahl eines geeigneten Gussmaterials und der Herstellung, sondern es werden auch das Material und die Herstellung stationärer Komponenten solcher Turbinen beeinflusst. So mag z.B. ein Material, das für eine Betriebsbedingung optimiert ist, für eine andere Betriebsbedingung nicht optimal sein. So haben z.B. die Einlass- und Auslass-Bereiche eines Dampfturbinen-Gusskörpers unterschiedliche Anforderungen an die Materialeigenschaften, verglichen mit Anforderungen an eine Gasturbine. So sind z.B. Dampfturbinen-Gusskörper allgemein unter Druck stehende Kammern bei hohen Temperaturen und folglich ist hier die Kriechbeständigkeit beschränkend. Andererseits sind Gasturbinen-Gusskörper typischerweise häufigen thermischen Zyklen ausgesetzt, so dass die Ermüdung beschränkend sein könnte. Diese Eigenschaften, die manchmal in Konflikt stehen, werden mit einer geeigneten Mischung von Wärmebehandlungszyklen eingestellt, um, in Abhängigkeit von der Anwendung, eine optimale Mischung von Festigkeits-, Zähigkeits-, Kriechbeständigkeits- und Ermüdungseigenschaften zu erzielen.

[0003] Für Gusskörper und andere Gusskomponenten favorisiert die Dampfturbinenindustrie derzeit niedrig legierte CrMoV-Stähle für Temperaturen unterhalb 1050 °F. Werden höhere Einlasstemperaturen, z.B. bis zu 1060 °F (etwa 575 °C) angestrebt, um den Dampfturbinen-Wirkungsgrad zu erhöhen, werden typischerweise Chromstahl-Legierungen mit etwa 9–14 Gew.-% Chrom mit variierenden Mengen von Mo, V, W, Nb, B eingesetzt, um die höheren Temperaturbedingungen in der Hochdruck(HP)stufe der Dampfturbine zu erfüllen. Während sie zum Betrieb bei Temperaturen über 565 °C innerhalb der HP-Stufe einer Dampfturbine in der Lage sind, schliessen aus diesen Legierungen hergestellte Gusskomponenten höhere Kosten ein und es sind häufig zusätzliche Massnahmen erforderlich, um Fehlanpassungen der thermischen Ausdehnung mit Legierungen zu handhaben, die in den Gusskomponenten kälterer Stufen eingesetzt sind.

[0004] Solche hochlegierten Chromstahllegierungen sind nicht nur teuer herzustellen, sondern sie sind auch nicht besonders gut geeignet für die Gussverfahren, die zum Bilden verschiedener stationärer Komponenten solcher Turbinen (z.B. Mantel, Ventil, Diaphragma, Dichtungskopf oder Dichtungsring) benutzt werden. Derzeit werden verschiedene stationäre Komponenten solcher Turbinen typischerweise aus CrMoV-Stahllegierungen (für Komponenten, die Temperaturen bis zu 1050 °F ausgesetzt sind) und Stahllegierungen mit 9–12% Chrom (für Anwendungen, die entweder eine höhere Temperatur oder höhere Spannung erfordern) hergestellt. In Hochtemperatur-Anwendungen können die Kosten der Stahllegierungen mit 9–12% Chrom – hauptsächlich aufgrund der vorhandenen relativ hohen Chrommengen – das Design, die Komponentenauswahl und die Endkosten der Turbine signifikant beeinflussen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0005] Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder ergeben sich aus der Beschreibung oder aus der Ausführung der Erfindung.

[0006] Es wird allgemein eine Gusslegierung zusammen mit aus der Gusslegierung konstruierten Komponenten (z.B. stationären Komponenten einer Turbine) bereitgestellt. In einer Ausführungsform schliesst die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff (z.B. 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff), 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium (z.B. 0,25% bis 0,35% Silicium), 0,10% bis 0,50% Nickel (z.B. 0,20% bis 0,35% Nickel), 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium (z.B. 0,74% bis 0,77% Vanadium), 0,0075% bis 0,060% Titan (z.B. 0,010% bis 0,035% Titan), 0,008% bis 0,012% Bor (z.B. 0,009% bis 0,010% Bor), Rest Eisen und übliche Verunreinigungen ein, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Schwefel, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer.

[0007] Die Gusslegierung kann, bezogen auf das Gewicht, bestehen aus 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und üblichen Verunreinigungen.

[0008] Die üblichen Verunreinigungen irgendeiner oben erwähnten Gusslegierung können, bezogen auf das Gewicht, bis zu 0,012% Phosphor, bis zu 0,002% Schwefel, bis zu 0,010% Zinn, bis zu 0,015% Arsen, bis zu 0,015% Aluminium, bis zu 0,0035% Antimon und bis zu 0,15% Kupfer umfassen.

[0009] Die üblichen Verunreinigungen irgendeiner oben erwähnten Gusslegierung können, bezogen auf das Gewicht, 0,001% bis 0,005% Phosphor, 0,0005% bis 0,002% Schwefel, 0,001% bis 0,004% Zinn, 0,001% bis 0,004% Arsen, 0,001% bis 0,005% Aluminium, 0,001% bis 0,0025% Antimon und 0,005% bis 0,015% Kupfer umfassen.

[0010] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann aus Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Bor, Eisen, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Schwefel, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer bestehen.

[0011] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, aus Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Bor, Eisen, 0,001% bis 0,005% Phosphor, 0,0005% bis 0,002% Schwefel, 0,001% bis 0,004% Zinn, 0,001% bis 0,004% Arsen, 0,001% bis 0,005% Aluminium, 0,001% bis 0,0025% Antimon und 0,005% bis 0,015% Kupfer bestehen.

[0012] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,25% bis 0,35% Silicium umfassen.

[0013] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff umfassen.

[0014] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,010% bis 0,035% Titan umfassen.

[0015] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,20% bis 0,35% Nickel umfassen.

[0016] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,009% bis 0,010% Bor umfassen.

[0017] Die Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art kann, bezogen auf das Gewicht, 0,74% bis 0,77% Vanadium umfassen.

[0018] Es kann eine Turbine bereitgestellt werden, die mindestens eine stationäre Komponente aufweist, die aus der Gusslegierung irgendeiner oben erwähnten Art gegossen ist.

[0019] So kann die Gusslegierung, z.B., in einer besonderen Ausführungsform, bezogen auf das Gewicht, aus 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff (z.B. 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff), 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium (z. B. 0,25% bis 0,35% Silicium), 0,10% bis 0,50% Nickel (z.B. 0,20% bis 0,35% Nickel), 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium (z.B. 0,74% bis 0,77% Vanadium), 0,0075% bis 0,060% Titan (z.B. 0,010% bis 0,035% Titan), 0,008% bis 0,012% Bor (z.B. 0,009% bis 0,010% Bor), Eisen, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Schwefel, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer bestehen.

[0020] Die stationäre Komponente der Turbine kann ein Mantel, ein Dichtungskopf oder ein Dichtungsring sein.

[0021] Allgemein werden auch Verfahren bereitgestellt, um eine Gusslegierung zu bilden. In einer Ausführungsform schliesst das Verfahren das Bilden einer Legierungsvorstufe, Schmelzen der Legierungsvorstufe zum Bilden einer geschmolzenen Legierungszusammensetzung, Anordnen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung in einer Gussform und Abkühlen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung innerhalb der Gussform ein, um die Gusslegierung zu bilden. Die Legierungsvorstufe kann, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen einschliessen, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Schwefel, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer.

[0022] In einer besonderen Ausführungsform schliesst das Verfahren weiter das Wärmebehandeln der Gusslegierung bei einer Behandlungstemperatur von etwa 1700°F bis etwa 1975°F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden und das Tempern der Gusslegierung durch Erhitzen auf eine Tempertemperatur von etwa 1200°F bis etwa 1300°F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden ein.

[0023] Ein Verfahren zum Bilden einer Gusslegierung kann umfassen: Bilden einer Legierungsvorstufe, umfassend, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, Schmelzen der Legierungsvorstufe zum Bilden einer geschmolzenen Legierungszusammensetzung, Anordnen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung in einer Gussform und Abkühlen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung innerhalb der Gussform zum Bilden der Gusslegierung.

[0024] Irgendein oben erwähntes Verfahren kann umfassen, dass die üblichen Verunreinigungen, bezogen auf das Gewicht, bis zu 0,012% Phosphor, bis zu 0,012% Silicium, bis zu 0,010% Zinn, bis zu 0,015% Arsen, bis zu 0,015% Aluminium, bis zu 0,0035% Antimon und bis zu 0,15% Kupfer umfassen.

[0025] Irgendein oben erwähntes Verfahren kann umfassen, dass die Legierungsvorstufe aus Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Bor, Eisen, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Silicium, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer besteht.

[0026] Irgendein oben erwähntes Verfahren kann weiter umfassen: Wärmebehandeln der Gusslegierung bei einer Behandlungstemperatur von etwa 1700 °F bis etwa 1975 °F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden und Tempern der Gusslegierung durch Erhitzen auf eine Tempertemperatur von etwa 1200 °F bis etwa 1300 °F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden.

[0027] Irgendein oben erwähntes Verfahren kann umfassen, dass die Behandlungstemperatur etwa 1900 °F bis etwa 1950 °F beträgt.

[0028] Irgendein oben erwähntes Verfahren kann umfassen, dass die Behandlungstemperatur etwa 1750 °F bis etwa 1800°F umfasst.

[0029] Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die begleitende Zeichnung, die einbezogen ist und einen Teil dieser Anmeldung darstellt, veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung und dient, zusammen mit der Beschreibung, zum Erklären der Prinzipien der Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0030] Ein vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschliesslich der besten Art davon, gerichtet an einen Fachmann des Standes der Technik, wird in der Beschreibung ausgeführt, die Bezug nimmt auf die beigefügten Figuren, in denen: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Seitenansicht einer beispielhaften Dampfturbine gemäss einer Ausführungsform dieser Erfindung ist; <tb>Fig. 2<SEP>eine vergrösserte Schnittansicht eines Dichtungskopfes für die in Fig. 1 gezeigte Dampfturbine ist; <tb>Fig. 3<SEP>einen Abschnitt einer Dichtungsbaueinheit für die in Fig. 1 gezeigte Dampfturbine gemäss einer Ausführungsform dieser Erfindung ist und <tb>Fig. 4<SEP>ein Fliessbild eines beispielhaften Verfahrens zeigt, das geeignet ist für das Bilden einer Gusslegierung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0031] Es wird nun detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, von denen ein oder mehrere Beispiele in der Zeichnung veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung der Erfindung, nicht zur Einschränkung der Erfindung angegeben. Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Geist der Erfindung abzuweichen. So können, z.B., als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale zusammen mit einer anderen Ausführungsform benutzt werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist daher beabsichtigt, das die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen abdeckt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.

[0032] Es sollte klar sein, dass hierin erwähnte Bereiche und Grenzen alle innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen angeordneten Bereiche (d.h. Unterbereiche) einschliessen. So schliesst, z.B., ein Bereich von etwa 100 bis etwa 200 auch Bereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6 ein. Weiter schliesst eine Grenze von bis zu etwa 7 auch eine Grenze bis zu etwa 5, bis zu 3 und bis zu etwa 4,5 ebenso wie Bereiche innerhalb der Grenze ein, wie von etwa 1 bis etwa 5 und von etwa 3,2 bis etwa 6,5.

[0033] In der vorliegenden Offenbarung sind chemische Elemente unter Anwendung ihrer üblichen chemischen Abkürzung diskutiert, wie sie üblicherweise in dem Periodensystem der Elemente gefunden werden. So wird, z.B., Wasserstoff durch seine übliche chemische Abkürzung H repräsentiert; Helium wird durch seine übliche chemische Abkürzung He repräsentiert usw.

[0034] Eine niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung wird allgemein zusammen mit Verfahren zum Giessen von Gegenständen daraus bereitgestellt. In einer Ausführungsform bietet die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung eine Brücke im Raum zwischen CrMoV-Stählen mit 9–12% Cr und traditionellen CrMoV-Stählen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und sie hat das Potenzial zum Verringern von Kosten (als Ersatz für Stähle mit 9–12% Cr in einer Anwendung bis zu 1080 °F). Zusätzlich hat die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung verbesserte Eigenschaften gegenüber derzeit erhältlichen CrMoV-Stählen, einschliesslich besserer Kriecheigenschaften, verglichen mit derzeit eingesetzten Materialien. Die Wanddicke gewisser stationärer Komponenten in einer Turbine (z.B. einem Gehäusemantel) kann ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit verringert werden. Die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung kann, in einer besonderen Ausführungsform, als ein Ersatz für Stahl-Gusskörper mit 9–12% Cr in Anwendungen bei 1050 °F bis 1080 °F eingesetzt werden. Um den Gebrauch von Stahl-Gusskörpern mit 9–12% Cr und anderer Legierungen mit Koeffizienten der thermischen Ausdehnung, die sich von konventionellen CrMoV-Stahllegierungen unterscheiden, zu vermeiden, können Gusskörper, die aus der hier bereitgestellten Legierung hergestellt sind, im Servicemarkt als Teil einer Modifizierungspackung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit existierender Turbineneinheiten ebenso wie in neuen Turbinendesigns benutzt werden.

[0035] Die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung ist besonders geeignet zum Einsatz bei der Bildung einer stationären Komponente von Turbinen (z.B. Dampfturbinen, Gasturbinen, Gasturbinen-Triebwerken und Strahltriebwerken). Um die mechanischen Eigenschaften zu erzielen, die notwendig für den Gebrauch als eine stationäre Komponente einer Turbine sind, wird die Legierung zum Einsatz bei Betriebstemperaturen von 1050 °F bis 1080 °F konfiguriert.

[0036] In einer Ausführungsform schliesst die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff (z.B. 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff), 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium (z.B. 0,25% bis 0,35% Silicium), 0,10% bis 0,50% Nickel (z.B. 0,20% bis 0,35% Nickel), 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium (z.B. 0,74% bis 0,77% Vanadium), 0,0075% bis 0,060% Titan (z.B. 0,010% bis 0,035% Titan), 0,008% bis 0,012% Bor (z.B. 0,009% bis 0,010% Bor), Rest Eisen, wahlweise geringe Mengen anderer Legierungsbestandteile und übliche Verunreinigungen ein. In einer besonderen Ausführungsform besteht die Gusslegierung, z.B., bezogen auf das Gewicht, aus 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und üblichen Verunreinigungen.

[0037] Aufgrund der Giessverfahren, die zum Bilden der niedrig legierten CrMoV-Stahl-Gusslegierung benutzt werden, wurde Silicium eingeschlossen, während die vorhandene relative Menge von Kohlenstoff vermindert wurde, verglichen mit dem niedrig legierten CrMoV-Stahl, der in der US-Veröffentlichung Nr. 2011/0 070 088 beschrieben ist, der auf einen niedrig legierten CrMoV-Legierungsstahl gerichtet ist, der angepasst ist, zu rotierenden Komponenten einer Turbine geschmiedet zu werden. Ohne dass die Bindung an eine spezielle Theorie erwünscht ist, wird angenommen, dass die relativ grosse Menge von Silicium und die relativ geringe Menge von Kohlenstoff in der Gusslegierung (insbesondere im Vergleich mit dem niedrig legierten CrMoV-Stahl, der in der US-Veröffentlichung Nr. 2011/0 070 088 beschrieben ist) genügende Fluidität beim Schmelzen gestattet, um zu erlauben, dass die geschmolzene Legierungs-Zusammensetzung in die Giessform fliesst.

[0038] Wie ausgeführt, können übliche Verunreinigungen in der Gusslegierung vorhanden sein. In gewissen Ausführungsformen können, z.B., die üblichen Verunreinigungen, die in der Gusslegierung vorhanden sein können, bezogen auf das Gewicht, bis zu 0,012% Phosphor (z.B. 0,001% bis 0,005% Phosphor), bis zu 0,002% Schwefel( z.B. 0,0005% bis 0,002% Schwefel), bis zu 0,010% Zinn (z.B. 0,001% bis 0,004% Zinn), bis zu 0,015% Arsen (z.B. 0,001% bis 0,004% Arsen), bis zu 0,015% Aluminium (z.B. 0,001% bis 0,005% Aluminium), bis zu 0,0035% Antimon (z.B. 0,001 bis 0,0025% Antimon) und/oder bis zu 0,15% Kupfer (z.B. 0,005% bis 0,015% Kupfer) sein. In einer besonderen Ausführungsform besteht die Gusslegierung aus Kohlenstoff (z.B. 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff), Mangan (z.B. 0,50% bis 0,90% Mangan), Silicium (z.B. 0,25% bis 0,60% Silicium), Nickel (z.B. 0,10% bis 0,50% Nickel), Chrom (z.B. 1,15% bis 1,50% Chrom), Molybdän (z.B. 0,90% bis 1,50% Molybdän), Vanadium (z.B. 0,70% bis 0,80% Vanadium), Titan (z.B. 0,0075% bis 0,060% Titan), Bor (z.B. 0,008% bis 0,012% Bor), Eisen, bis zu 0,012% Phosphor (z.B. 0,001% bis 0,005% Phosphor), bis zu 0,002% Schwefel (z.B. 0,0005% bis 0,002% Schwefel), bis zu 0,010% Zinn (z.B. 0,001% bis 0,004% Zinn), bis zu 0,015% Arsen (z.B. 0,001% bis 0,004% Arsen), bis zu 0,015% Aluminium (z.B. 0,001% bis 0,005% Aluminium), bis zu 0,0035% Antimon (z.B. 0,001% bis 0,0025% Antimon) bis zu 0,15% Kupfer (z.B. 0,005% bis 0,015% Kupfer) und anderen üblichen Verunreinigungen (falls vorhanden).

[0039] Die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung ist, wie ausgeführt, besonders geeignet zum Einsatz beim Bilden einer stationären Komponente von Turbinen. Bezugnehmend, z.B., auf Fig. 1 , wird dort allgemein eine schematische Darstellung einer beispielhaften Dampfturbine 10 gezeigt. Die Dampfturbine 10 hat einen ersten oder Generator-Endabschnitt 12 und einen gegenüberliegenden zweiten oder Turbinen-Endabschnitt 14. Die Dampfturbine 10 schliesst eine (in Fig. 1 nicht gezeigte) Rotorwelle ein, die sich entlang mindestens eines Teiles einer axialen Mittellinie 16 der Dampfturbine 10 erstreckt. Während des Betriebes der Dampfturbine 10 tritt Hochdruckdampf von einer Dampfquelle, wie einem (nicht gezeigten) Leistungsboiler beim Dampfeinlass 19 in Dampfturbine 10 ein und tritt beim Turbinen-Endabschnitt 14, wie in Fig. 1 gezeigt, aus.

[0040] Ein stationärer innerer Mantel 20 ist um die Rotorwelle herum angeordnet und erstreckt sich entlang der axialen Mittellinie 16. Der innere Mantel 20 schliesst eine Generator-Endoberfläche 21 und eine gegenüberliegende Turbinen-Endoberfläche 22 ein. Der innere Mantel bildet eine Kammer 23, innerhalb der die Rotorwelle angeordnet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Dichtungskopf 24 mit dem inneren Mantel 20 verbunden und innerhalb der Kammer 23 angeordnet. Der Dichtungskopf 24 ist umfangsmässig um die Rotorwelle und die axiale Mittellinie 16 herum angeordnet. Bezugnehmend auf Fig. 2 schliesst der Dichtungskopf 24 eine Vielzahl von Kanälen 26 ein. In einer Ausführungsform schliesst der Dichtungskopf 24 acht Kanäle 26 ein, die entlang einer axialen Länge des Dichtungskopfes 24 gebildet sind. Weiter bezugnehmend auf Fig. 2 erstreckt sich jeder Kanal 26 umfangsmässig um die axiale Mittellinie 16 und ist zur Aufnahme eines Dichtungsringes 28 dimensioniert. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist jeder Dichtungsring 28 in einem entsprechenden Kanal 26 gehalten, der im Dichtungskopf 24 definiert ist. In alternativen Ausführungsformen schliesst Dichtungskopf 24 irgendeine geeignete Anzahl von Kanälen 26 ein.

[0041] In einer Ausführungsform schliesst Dampfturbine 10 eine Dichtungsbaueinheit 30 ein, wie in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 ist nur ein Teil einer Rotorwelle 32 und ein Teil des Dichtungskopfes 24 veranschaulicht. Ein radialer Abstand 33 ist zwischen der Rotorwelle 32 und Dichtungskopf 24 und/oder Dichtungsringen 28 definiert. Jeder Dichtungsring 28 schliesst einen inneren Ringabschnitt 34 mit Zähnen 36 ein, die sich von einer radial inneren Oberfläche 37 des inneren Ringabschnittes 34 und einer radial äusseren Oberfläche 38 aus erstrecken, was das Kontrollieren des radialen Abstandes oder Spaltes 33 durch Berühren einer radialen Oberfläche 41 des Dichtungskopfes 24 erleichtert. Jeder Dichtungsring 28 schliesst auch einen äusseren Ringabschnitt 42 ein, der innerhalb des Kanals 26 angeordnet ist.

[0042] Dichtungsring 28 schliesst eine Vielzahl von Zähnen 36 ein, die gegenüber einer Vielzahl von Rotorwellen-Umfangsprojektionen 48 angeordnet sind, die sich von der Rotorwelle 32 nach aussen erstrecken. Eine positive Kraft kann eine Strömungsmittelströmung zwischen den vielen Restriktionen hindurchdrücken, die innerhalb des radialen Abstands 33 gebildet sind, der zumindest teilweise zwischen den Zähnen 36 und der Rotorwelle 32 definiert ist. Spezifischer sind der radiale Abstand 33, die Anzahl und relative Schärfe der Zähne 36, die Anzahl der Rotorwellen-Umfangsprojektionen 48 und/oder die Betriebsbedingungen, einschliesslich des Druckes und der Dichte, Faktoren, die das Ausmass der Leckströmung bestimmen. Alternativ können auch andere geometrische Anordnungen benutzt werden, um multiple oder einzelne Leckbeschränkungen bereitzustellen.

[0043] Wie in Fig. 1 gezeigt, schliesst die Dampfturbine 10 einen äusseren Mantel 60 ein, der um den inneren Mantel 20 herum angeordnet ist. Der äussere Mantel 60 schliesst eine erste oder Generator-Endoberfläche 61 und eine gegenüberliegende zweite oder Turbinen-Endoberfläche 62 ein, die allgemein der Generator-Endoberfläche 21 und der Turbinen-Endoberfläche 22 des inneren Mantels 20 entsprechen. In einer Ausführungsform ist der innere Mantel 20 mit dem äusseren Mantel 60 entlang der quer verlaufenden Mittellinie 18 der Dampfturbine 10 ausgerichtet. Obwohl das Turbinengehäuse mit einem inneren Mantel 20 und einem äusseren Mantel 60 gezeigt wurde, kann es in einer alternativen Ausführungsform auch eine Einzelmantel-Konfiguration aufweisen.

[0044] Wie ausgeführt, können stationäre Komponenten der Turbine 10 (z.B. innerer Mantel 20, äusserer Mantel 60, Dichtungskopf 24, Dichtungsringe 28 usw.) aus der oben beschriebenen niedrig legierten CrMoV-Stahl-Gusslegierung konstruiert sein. Obwohl mit Bezug auf die Dampfturbine 10 erläutert, sollte klar sein, dass die niedrig legierte CrMoV-Stahl-Gusslegierung in stationären Komponenten anderer Arten von Turbinen eingesetzt werden kann, einschliesslich, darauf jedoch nicht beschränkt, Gasturbinen, Gasturbinentriebwerken und Strahltriebwerken.

[0045] Irgendein geeignetes Giessverfahren kann zum Bilden der stationären Komponenten aus dem niedrig legierten CrMoV-Stahl benutzt werden, einschliesslich, darauf jedoch nicht beschränkt, Sandguss, Schleuderguss usw. So zeigt, z.B., Fig. 4 ein beispielhaftes Verfahren 100 zum Bilden einer Gusslegierung. Verfahren 100 schliesst das Bilden einer Legierungsvorstufe bei 102, das Schmelzen der Legierungsvorstufe zum Bilden einer geschmolzenen Legierungszusammensetzung bei 104, das Anordnen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung in einer Gussform bei 106 und schliesslich das Abkühlen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung innerhalb der Gussform zum Bilden der Gusslegierung bei 108 ein.

[0046] Allgemein wird die Legierungsvorstufe, die in 102 gebildet und in 104 geschmolzen wird, aus den Komponenten der endgültigen Gusslegierung in den erwünschten Gewichtsprozenten gebildet. So umfasst, z.B., in einer Ausführungsform die Legierungsvorstufe, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff (z.B. 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff), 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium (z.B. 0,25% bis 0,35% Silicium), 0,10% bis 0,50% Nickel (z.B. 0,20% bis 0,35% Nickel), 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium (z.B. 0,74% bis 0,77% Vanadium), 0,0075% bis 0,060% Titan (z.B. 0,010% bis 0,035% Titan), 0,008% bis 0,012% Bor (z.B. 0,009% bis 0,010% Bor), Rest Eisen, wahlweise geringe Mengen anderer Legierungsbestandteile und übliche Verunreinigungen. So besteht, z.B., in einer besonderen Ausführungsform die Legierungsvorstufe, bezogen auf das Gewicht, aus 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und üblichen Verunreinigungen, wie bis zu 0,012% Phosphor (z.B. 0,001% bis 0,005% Phosphor), bis zu 0,002% Schwefelt z.B. 0,0005% bis 0,002% Schwefel), bis zu 0,010% Zinn (z.B. 0,001% bis 0,004% Zinn), bis zu 0,015% Arsen (z.B. 0,001% bis 0,004% Arsen), bis zu 0,015% Aluminium (z.B. 0,001% bis 0,005% Aluminium), bis zu 0,0035% Antimon (z.B. 0,001% bis 0,0025% Antimon) und/oder bis zu 0,15% Kupfer (z.B. 0,005% bis 0,015% Kupfer). In einer besonderen Ausführungsform besteht die Legierungsvorstufe, z.B., aus Kohlenstoff (z.B. 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff), Mangan (z.B. 0,50% bis 0,90% Mangan), Silicium (z.B. 0,25% bis 0,60% Silicium), Nickel (z.B. 0,10% bis 0,50% Nickel), Chrom (z.B. 1,15% bis 1,50% Chrom), Molybdän (z.B. 0,90% bis 1,50% Molybdän), Vanadium (z.B. 0,70% bis 0,80% Vanadium), Titan (z.B. 0,0075% bis 0,060% Titan), Bor (z.B. 0,008% bis 0,012% Bor), Eisen, bis zu 0,012% Phosphor (z.B. 0,001% bis 0,005% Phosphor), bis zu 0,002% Schwefel (z.B. 0,0005% bis 0,002% Schwefel), bis zu 0,010% Zinn (z.B. 0,001% bis 0,004% Zinn), bis zu 0,015% Arsen (z.B. 0,001% bis 0,004% Arsen), bis zu 0,015% Aluminium (z.B. 0,001% bis 0,005% Aluminium), bis zu 0,0035% Antimon (z.B. 0,001% bis 0,0025% Antimon) bis zu 0,15% Kupfer (z.B. 0,005% bis 0,015% Kupfer) und anderen üblichen Verunreinigungen (falls vorhanden).

[0047] Nach dem Bilden kann die Gusslegierung innerhalb der Giessform bei einer Behandlungstemperatur von etwa 1700 °F bis etwa 1975 °F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden (z.B. etwa 4 Stunden bis etwa 24 Stunden) wärmebehandelt werden. Diese Wärmebehandlung beeinflusst die Mikrostruktur bzw. das Gefüge der resultierenden Gusslegierung, das wiederum gewisse Eigenschaften der Gusslegierung (z.B. Kriech- und Ermüdungs-Eigenschaften) beeinflusst. In einer Ausführungsform können die Temperatur und die Zeit der Wärmebehandlung eingestellt werden, um gewisse Eigenschaften der resultierenden behandelten Gusslegierung zu kontrollieren. So kann die Wärmebehandlungs-Temperatur, z.B., von etwa 1900 °F bis etwa 1950 °F betragen, um die Kriecheigenschaften der resultierenden behandelten Gusslegierung zu verbessern, was in Gusslegierungs-Komponenten einer Dampfturbine besonders erwünscht sein mag. Alternativ kann die Wärmebehandlungs-Temperatur etwa 1750 °F bis etwa 1800 °F betragen, um die Ermüdungseigenschaften der resultierenden behandelten Gusslegierung zu verbessern, was in Gusslegierungs-Komponenten einer Gasturbine besonders erwünscht sein mag.

[0048] Nach der Wärmebehandlung kann die Gusslegierung dann durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1200 °F bis etwa 1300 °F für etwa 4 Stunden bis etwa 48 Stunden (z.B. etwa 8 Stunden bis etwa 24 Stunden) getempert werden. In einer Ausführungsform können die Temperatur und die Zeit der Temperbehandlung eingestellt werden, um gewisse Eigenschaften der resultierenden behandelten Gusslegierung (z.B. die Festigkeit) zu kontrollieren.

[0049] Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschliesslich der besten Art und auch, um es einem Fachmann im Stande der Technik zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschliesslich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher einbezogener Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und er kann andere Beispiele einschliessen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente einschliessen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschliessen.

[0050] Es wird allgemein eine Gusslegierung zusammen mit Verfahren zum Bilden der Gusslegierung und Komponenten bereitgestellt, die aus der Gusslegierung konstruiert sind (z.B. stationäre Komponenten einer Turbine). Die Gusslegierung kann, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen, wahlweise geringe Mengen anderer Legierungsbestandteile und übliche Verunreinigungen einschliessen.

Bezugszeichenliste

[0051] <tb>10<SEP>Dampfturbine <tb>12<SEP>Generator-Endabschnitt <tb>14<SEP>Turbinen-Endabschnitt (2) <tb>16<SEP>axiale Mittellinie (4) <tb>18<SEP>quer verlaufende Mittellinie <tb>19<SEP>Dampfeinlass <tb>20<SEP>innerer Mantel (7) <tb>21<SEP>Generator-Endoberfläche (2) <tb>22<SEP>Turbinen-Endoberfläche <tb>23<SEP>Kammer (2) <tb>24<SEP>Dichtungskopf (11) <tb>26<SEP>Kanäle (5) <tb>28<SEP>Dichtungsring (7) <tb>30<SEP>Dichtungsbaueinheit <tb>32<SEP>Rotorwelle (4) <tb>33<SEP>Spalt <tb>34<SEP>innerer Ringabschnitt (2) <tb>36<SEP>Zähne (4) <tb>37<SEP>radiale innere Oberfläche <tb>38<SEP>radiale äussere Oberfläche <tb>41<SEP>radiale Oberfläche <tb>42<SEP>äusserer Ringabschnitt <tb>48<SEP>Rotorwellen-Umfangsprojektionen (2) <tb>60<SEP>äusserer Mantel <tb>61<SEP>Generator-Endoberfläche <tb>62<SEP>Turbinen-Endoberfläche <tb>100<SEP>Verfahren

Claims

1. Gusslegierung, umfassend, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

2. Gusslegierung nach Anspruch 1, worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, aus 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.

3. Gusslegierung nach Anspruch 1, worin die üblichen Verunreinigungen, bezogen auf das Gewicht, bis zu 0,012% Phosphor, bis zu 0,002% Schwefel, bis zu 0,010% Zinn, bis zu 0,015% Arsen, bis zu 0,015% Aluminium, bis zu 0,0035% Antimon und bis zu 0,15% Kupfer umfassen.

4. Gusslegierung nach Anspruch 1, worin die üblichen Verunreinigungen, bezogen auf das Gewicht, 0,001% bis 0,005% Phosphor, 0,0005% bis 0,002% Schwefel, 0,001% bis 0,004% Zinn, 0,001% bis 0,004% Arsen, 0,001% bis 0,005% Aluminium, 0,001% bis 0,0025% Antimon und 0,005% bis 0,015% Kupfer umfassen.

5. Gusslegierung nach Anspruch 1, worin die Gusslegierung aus Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Bor, Eisen, bis zu 0,012 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,012 Gew.-% Schwefel, bis zu 0,010 Gew.-% Zinn, bis zu 0,015 Gew.-% Arsen, bis zu 0,015 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,0035 Gew.-% Antimon und bis zu 0,15 Gew.-% Kupfer besteht.

6. Gusslegierung nach Anspruch 5, worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, aus Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Titan, Bor, Eisen, 0,001% bis 0,005% Phosphor, 0,0005% bis 0,002% Schwefel, 0,001% bis 0,004% Zinn, 0,001% bis 0,004% Arsen, 0,001% bis 0,005% Aluminium, 0,001% bis 0,0025% Antimon und 0,005% bis 0,015% Kupfer besteht.

7. Gusslegierung nach Anspruch 1, worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,25% bis 0,35% Silicium umfasst und/oder worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,14% bis 0,17% Kohlenstoff umfasst und/oder worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,010% bis 0,035% Titan umfasst und/oder worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,20% bis 0,35% Nickel umfasst und/oder worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,009% bis 0,010% Bor umfasst und/oder worin die Gusslegierung, bezogen auf das Gewicht, 0,74% bis 0,77% Vanadium umfasst.

8. Turbine mit mindestens einer stationären Komponente, die aus der Gusslegierung nach Anspruch 1 gegossen ist.

9. Turbine nach Anspruch 8, worin die stationäre Komponente ein Mantel, ein Dichtungskopf oder ein Dichtungsring ist.

10. Verfahren zum Bilden einer Gusslegierung, umfassend: – Bilden einer Legierungsvorstufe, umfassend, bezogen auf das Gewicht, 0,12% bis 0,20% Kohlenstoff, 0,50% bis 0,90% Mangan, 0,25% bis 0,60% Silicium, 0,10% bis 0,50% Nickel, 1,15% bis 1,50% Chrom, 0,90% bis 1,50% Molybdän, 0,70% bis 0,80% Vanadium, 0,0075% bis 0,060% Titan, 0,008% bis 0,012% Bor, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen; – Schmelzen der Legierungsvorstufe zum Bilden einer geschmolzenen Legierungszusammensetzung; – Anordnen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung in einer Gussform und – Abkühlen der geschmolzenen Legierungszusammensetzung innerhalb der Gussform zum Bilden der Gusslegierung.