-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Metallrohre, die aus einfacherem Stahl hergestellt sind, die aber zumindest einseitig mit einer höherwertigen Beschichtung gegen Korrosion zu schützen sind.
-
In unterschiedlichen Industrieöfen tritt häufig das Problem auf, dass reaktive Gase, die z. B. Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe enthalten (z. B. Reduktionsgase), bei höheren Temperaturen durch Rohre zu führen sind.
-
Solche Probleme treten z. B. auf bei einem Vorwärmofen für Einsatzgas für die Direktreduktion von Eisen, wo Rohrschlangen zum Führen eines Reduktionsgases durch einen beheizten Ofenbereich und durch Sammlerrohre außerhalb des Ofenbereiches geführt werden.
-
Diese Anwendung liegt auf dem Gebiet der Stahlherstellung. Üblich ist das sogen. Hochofenverfahren. Dabei wird zuerst Roheisen aus Eisenerz mit Hilfe von Koks hergestellt. Danach wird durch weitere Verfahren aus dem Roheisen der Stahl hergestellt, dazu wird in der Regel zusätzlich noch Schrott eingesetzt.
-
Die Eisenherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mittels eines Hochofens. Das Eisenerz wird als Stückerz, Pellets oder Sinter zusammen mit den Reduktionsmittel (Koks) und weiteren Bestandteilen (Kalkstein, Schlackenbildner, usw.) zum sogen. Möller vermischt und anschließend chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem sogen. Wind, reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion notwendige Wärme und Kohlenstoffmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenerz reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.
-
Da das Roheisen noch sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, das sogen. Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigtem vergossenem Stahl. Unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren vor Aluminium oder Silizium. Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Steigerungen (Materialendmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätseinbußen verbunden.
-
Ein neueres Verfahren ist die Direktreduktion:
Die Nachteile des Hochofens sind die Anforderungen an die Einsatzmaterialien und der hohe Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, sodass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2-Ausstoß stellt eine starke Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletherstellung in Drehrohröfen, sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren.
-
Am weitesten verbreitet sind bisher das Midrex- bzw. HYL-Direktreduktionsverfahren, die Eisenschwamm bzw. Hot Briquetted Iron (HBI) als festes Einsatzmaterial erzeugen. Dieses direkt reduzierte Eisen (DRI), auch sogen. Eisenschwamm, wird durch Direktreduktion von Eisenerz (in der Form von Stücken, Pellets oder Feinerz) durch ein reduzierendes Gas aus Erdgas oder Kohle hergestellt. Das reduzierende Gas ist eine Mischung, die im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, welche reduzierend wirken.
-
DRI wird erfolgreich in vielen Teilen der Erde eingesetzt, da es eine Erdgas- oder eine kohlenbasierte Technologie ist. Eisenerz wird im festen Zustand bei 800 bis 1050°C reduziert, wobei dieses entweder durch reduzierendes Gas (H2 und CO) oder Kohle erfolgt. Die Investitions- und die Betriebskosten von Direktreduktionsanlagen sind niedrig im Vergleich zu integrierten Stahlanlagen und eignen sich eher für viele Entwicklungsländer, wo der Nachschub an geeignetem Koks beschränkt ist.
-
Der Direktreduktionsprozess ist prinzipiell mehr energieeffizient als der Hochofeneffekt, weil er etwas niedrigere Temperaturen benötigt. Das Reduktionsgas kann neben H2 und CO auch CO2, CH4, H2O, N2 und H2S enthalten. Es muss vor dem Einblasen in den eigentlichen Schachtofen – in dem die Direktreduktion stattfindet – auf Temperaturen um 800–1100°C erhitzt werden. Dies erfolgt in Vorwärmöfen, die Rohrschlangen zum Führen des Reduktionsgases durch den beheizten Ofenbereich und Sammelrohre außerhalb des beheizten Ofenbereichs enthalten.
-
Werden dabei Temperaturbereiche von 450 bis 850°C durchlaufen, tritt das sog. metal-dusting auf, auf Deutsch gibt es hier das schöne Wort:
Metallpulverzerfallskorrosion. Wikipedia schreibt zum Metal dusting, dass es eine katastrophale Form der Korrosion ist, die auftritt, wenn empfindliche Materialien einer Umgebung mit hoher Kohlenstoffaktivität ausgesetzt werden. Die Korrosion selbst zeigt sich in einer Umwandlung von massivem Metall zu Metallpulver. Der vermutete Effekt ist die Ablagerung von Kohlenstoff- oder Graphitschichten auf der Oberfläche des Metalls, üblicherweise von Kohlenmonoxid in der Dampfphase. Diese Graphitschichten werden dann vermutlich metastabile M3C-Verbindungen bilden (wobei M das Metall ist), welche von der Oberfläche weg wandern. Wie auch immer, in manchen Fällen werden keine M3C-Verbindungen beobachtet, was ein Anzeichen für einen direkten Transfer von Metallatomen in den Graphitschicht sein könnte.
-
Die Temperaturen, bei denen normalerweise das Metal dusting auftritt, sind relativ hoch (450 bis 850°C). Aus einem allgemeinen Verständnis der Chemie kann abgeleitet werden, dass bei niedrigeren Temperaturen die Reaktionsrate, um metastabile M3C-Verbindungen zu bilden, zu niedrig ist, um signifikant zu sein und dass bei viel höheren Temperaturen die Graphitschicht unstabil ist, so dass eine CO-Deposition nicht oder nicht in entsprechendem Umfang erfolgt.
-
Diesem Problem ausgesetzte Rohre im beheizten Bereich des Ofens werden deshalb aus einem Metall gebildet, das gegen Metal dusting nicht empfindlich ist, z. B. aus hochnickelhaltigen Legierungen. Solche Rohre sind jedoch relativ teuer.
-
Eine andere Möglichkeit ist es, preiswertere – weniger edle – Metalle zu verwenden und diese mit einer höherwertigen Beschichtung gegen Korrosion zu schützen. Bekannt ist das Alitieren oder das Versehen mit Aluminiumschichten.
-
Aus der
WO 2004/082824 A1 sind Rohre bekannt, die gegen Hochtemperaturkorrosion durch eine Aluminiumschicht geschützt sind. Problematisch bei dieser Technik ist die Verschweißung zweier Rohre, da dort oft ein Spalt bleibt, durch den das aggressive Gas den einfacheren Werkstoff angreifen kann. In der
1 der
WO 2004/082824 A1 sind zwei unterschiedliche Verbindungsmethoden gezeigt, bei denen ein Ring (support strip) verwendet wird. Beide Methoden haben einige Nachteile und sie vermeiden die Gefahr des metal-dustings nicht vollständig.
-
Die
WO 2004/082824 A1 schlägt deshalb das Einsetzen spezieller Verbindungsstücke oder Muffen (joining pieces) vor, die aufgrund ihrer speziellen Form und Anfertigung aber relativ teuer sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein preiswerteres Verfahren zum Verbinden zweier Metallrohre vorzuschlagen, die zumindest einseitig mit einer höherwertigen Beschichtung gegen Korrosion zu schützen sind, welche zuverlässig Schäden durch das metal-dusting vermeidet und auch kleinste Spalte zu 100% verhindert.
-
Vor allem sollen für die größer dimensionierten Sammler- oder Verteilerrohre, die sich außerhalb der beheizten Ofenflächen befinden, Lösungen vorgeschlagen werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst von einem Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung und eine Anwendung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Rohren beschrieben, die innen das korrosive Gas führen und daher innen beschichtet sind. Die Tragschicht aus niederwertigerem Material befindet sich dann außen. Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch auch, Rohre außen mit einem Korrosionsschutz zu schützen, die dann die einfachere Metalltragschicht innen haben, aber außen korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten ausgesetzt sind.
-
Erfindungsgemäß besteht der erste Schritt im Aufbringen von zwei Ringen aus höherwertigerem Material auf die zu schützende Seite der Rohrenden. Es werden also beispielsweise zwei Grundrohre (können auch Fitting/Rohr sein) aus ”niederwertigem” Material (z. B. TP304) verwendet. Darin wird jeweils an den Verbindungsenden ein Innenring aus „höherwertigem” Werkstoff (z. B. Alloy 690) befestigt, z. B. durch Anschweißen. Zum Schutz der Außenseiten verwendet man Außenringe, zum Schutz der Innenseiten Innenringe.
-
Unterschiedlich zur
WO 2004/082824 A1 ist, dass dort ein einziger Ring verwendet wird, wobei eine der zwei dort anhand der
1 gezeigten Lösungen auch noch den Nachteil hat, dass die Materialstärke geschwächt wird.
-
Der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehe im Aufbringen einer schützenden Beschichtung auf die Rohre, sofern dies noch nicht schon vorher erfolgt ist, wobei die Beschichtung nicht unbedingt auf die Ringe aufgebracht werden muss oder, wenn dort eine Beschichtung aufgebracht wurde, von diesen auch wieder entfernt werden kann. Das gleiche gilt für die Schweißkante oder die Stirnseite an der Innenseite der Rohre. Das Aufbringen der Beschichtung kann durch bekannte Verfahren wie z. B. das Alitieren erfolgen. Das Entfernen von den Ringen oder den Stoßkanten kann z. B. durch Aussparen (über Abkleben oder ähnliche Verfahren) erfolgen oder auch durch nachträgliches Abfräsen oder Abätzen der Alitierung vom Ring oder von der Stirnseite, die sich am Rohrende befindet, und/oder von der Schweißflanke der Grundrohre erfolgen.
-
Im dritten Schritt werden dann die Ringstirnseiten mittels einer höherwertigen Verschweißung zusammengefügt. Dies erfolgt z. B. mit Verschweißung mit einer hochwertigeren Legierung wie z. B. dem Alloy 690 („Layer 1”).
-
Danach erfolgt als vierter Schritt das Zusammenschweißen der Rohre mittels eines niederwertigen oder eines höherwertigen Materials. Es werden also die Rohre über weitere Layer artgleich mit dem „niederwertigen” Material (z. B. TP304) verschweißt. Dies kann z. B. ”Ni-Basis-Schweißzusatz” sein, was ggf. bei erhöhten Prozesstemperaturanforderungen von über 700 Grad C vorteilhaft ist. Erfindungsgemäß wird eine erhebliche Einsparung durch die Verwendung von günstigerem Material für die Grundrohre erzielt. Anstelle von Rohren aus komplett hochwertigem und damit teurem Material kann man für die Tragfähigkeit und die mechanische Stabilität preiswertere Rohre verwenden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht man auch höhere Standzeiten im Betrieb der Rohre.
-
Erreicht wird erfindungsgemäß also die spaltfreie Verbindung von alitierten Rohrleitungsteilen unter Herstellung einer 100%igen „edlen” Innen- oder Außenoberfläche, um damit das metal-dusting oder die davon erzeugte Korrosion zu vermeiden. An den fertig verbundenen Rohren findet kein Kontakt zwischen Prozessgas (welches innerhalb oder außerhalb der Rohre geführt wird) und dem metallischen Werkstoff der Tragrohre statt. Insbesondere gibt es auch keine Spalte, an denen Prozessgas zum metallischen Werkstoff „kriechen” könnte.
-
Die Erfindung ist anwendbar in industriellen Öfen, z. B. bei der Cross-Over-Verrohrung bei Direktreduktionsöfen oder bei der Verbindung Feuerraum zu Konvektionszone. Durch die Verwendung von hochlegierten Material (z. B. Alloy 690 oder 602 CA oder 693) beim ersten Layer der Verschweißung wird eine durchgängige edle Innen- oder Außenoberfläche ohne metal-dusting-Risiko erzielt, wobei bei den weiteren Schweiß-Layern unter artgleicher Metallverschweißung von niederwertigem Werkstoff die gewünschte Rohrleitungsfestigkeit erzielt wird. Dadurch wird die Gefahr für Gewährleistungsfälle aufgrund von Korrosion deutlich verringert. Die Standzeit der Anlage kann dadurch erhöht werden. Deutliche Kostenreduktion gegenüber der Möglichkeit eines kompletten Rohrleitungssystems aus edlem Material wird durch die Erfindung erreicht.
-
Das Beschichten kann durch Aufbringen von Aluminium oder eines Werkstoffes, der mehr als 10% Aluminium enthält, das sog. Alitieren, erfolgen
-
Als höherwertiges Material wird z. B. das Alloy 690, das Alloy 602 CA, 693 oder Stoffe, wie z. B. Schleudergussmaterial 35Cr/45Ni – Low Carbon – verwendet. Als einfachere Trägermaterialien kommen üblicherweise 18/8-CrNi-Materialien (z. B. TP304) zur Verwendung. Natürlich sind auch höherwertige Materialien (z. B. HD40) verwendbar, was jedoch aus wirtschaftlichen Gründen üblicherweise unterbleibt. Möglich ist die Verwendung von T-Stahl, nicht legiertem Stahl, nieder legiertem Stahl, P1 Stahl, P11 bis P22 Stahl oder 18/8-Materialien.
-
Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Diese Figur zeigt die beiden Rohre 1, genauer gesagt, nur Ausschnitte aus den angefasten Rohrstirnseiten, die aneinander stoßen und durch eine Verschweißung zu verschließen sind. Die gezeigten Rohrstücke sind auf dieser Figur die Unterseiten von Rohren, d. h., die Rohrmittellinie befindet sich oben auf dieser Zeichnung. Die aggressiven Gase werden bei diesem Rohr 1 innen geführt, so dass es hier darauf ankommt, eine spaltfreie Innenbeschichtung des Rohres herzustellen. Dies gelingt dadurch, dass in die Rohrenden die beiden Innenringe 2 (mit einer Wandstärke von etwa 1–3 mm) aus höherwertigem Material eingesetzt werden.
-
Der ”edle” Innenring 2 wird aus Gründen der Betriebssicherheit üblicherweise mit sogenannten ”Vent-hole(s)” ausgeführt, welche(s) beim Beschichtungsvorgang (z. B. Alitieren) ebenfalls beschichtet wird.
-
Die im zweiten Schritt aufzubringende Beschichtung durch Aufgalvanisieren von Aluminium oder durch ein anderes Material ist in dieser Figur als anti-corrosive Layer (Alitierung) gestrichelt angedeutet. Gezeigt ist auch Schritt 3 der Erfindung, nämlich das Verschweißen der Stirnseiten der Ringe mittels einer höherwertigen Verschweißung, die hier durch den Schweißpunkt mit Bezugszeichen ”Layer 1” gezeigt ist. Dieser besteht hier aus Alloy 602, 690 oder 693. Zum Herstellen der endgültigen Festigkeit werden die Rohre 1 dann durch die höher- oder niederwertigere Verschweißung in mehreren Lagen oder Layern (”Layer 2” bis ”Layer n”, bestehend hier aus 18/8 Stahl) zusammengeschweißt, so dass sich die am Ende gezeigte hochwertige spaltfreie Verbindung der Rohre 1 ergibt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 20041082824 A1 [0015, 0016]
- WO 2004/082824 A1 [0015, 0022]
