DE69016741T2

DE69016741T2 - Stahlzusammensetzung.

Info

Publication number: DE69016741T2
Application number: DE69016741T
Authority: DE
Inventors: Frederick Kenneth Oldfield
Original assignee: Chesterfield Cylinders Ltd
Current assignee: United Engineering Forgings Ltd
Priority date: 1989-10-28
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: EP0426367B1; EP0426367A1; CA2023732A1; ATE118251T1; DE69016741D1; US5133928A; CA2023732C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Stahlzusammensetzungen, und zwar insbesondere Stahlzusammensetzungen, die besonders für Druckbehälter, wie zum Beispiel Zylinder zum Enthalten von Gas unter Druck, d.h. Gasvorratsbehälter, geeignet sind.
Gasvorratszylinder werden herkömmlicherweise aus Stahl hergestellt, und zwar für eine Kapazitat im Bereich von 1 Liter bis zu 150 Litern und für Betriebsdrücke von bis zu 300 Bar oder höher.
Die Betriebssicherheit bei den hohen Drücken und der hohen Energie des Gases in Vorratszylindern ist ein Hauptgesichtspunkt, und die Aufmerksamkeit richtet sich dabei sowohl auf das bei solchen Zylindern verwendete Material als auch auf die Gestaltung der Zylinder, die Herstellungmethoden, die Prüfung und den Gebrauch.
Wenn sie voll sind, haben Gaszylinder ein Gewicht, das um ein Vielfaches größer ist als das Gewicht des Inhalts, und es würden sich erhebliche Vorteile ergeben, wenn das Gewicht des Zylinders bei gegebener Kapazität verringert werden könnte. Das würde jedoch Zylinder mit dünneren Wänden erforderlich machen, und die Wände wären höheren Belastungsniveaus ausgesetzt. Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Sicherheitsspannen müßten die Streckgrenzenfestigkeit und die Zugfestigkeit des Materials entsprechend der Zunahme der Wandbelastung größer werden.
Herkömmlicherweise werden Chrom/Molybdan-Stahllegierungen für nahtlose Gasvorratszylinder mit typischerweise etwa 1 Gewichtsprozent Chrom und etwa 0,25 Gewichtsprozent Molybdän verwendet. Ein Beispiel für einen solchen Stahl ist der in den britischen Normen BS 5045, Teil 1, 1982, zu findende Stahl mit dem Code "CM". Ein solcher Stahl weist eine auf 1100 N/mm² oder weniger begrenzte Zugfestigkeit auf. Höhere Festigkeiten des Stahls können durch selektive Wärmebehandlung erreicht werden, was aber zu einem Verlust von Zähigkeit und Dehnbarkeit führt. Mit Zähigkeit ist die Fähigkeit des Materials gemeint, beim Vorhandensein von Belastungskonzentrationen, die sich aus kleinen Herstellungsfehlern oder betriebsbedingten Schäden ergeben können, nicht zu brechen. Zähigkeit ist wegen der potentiell explosiven Energie des in Gaszylindern befindlichen Druckgases eine wesentliche Eigenschaft von Gaszylindern.
Es ist, zum Beispiel im US-Patent 4461657, vorgeschlagen worden, einen Stahl, der gegenüber herkömmlichen Stahlarten eine höhere Festigkeit aufweist, dadurch herzustellen, daß der Zusammensetzung Vanadium im Bereich von 0,04 - 0,10 Gewichtsprozent zusammen mit Calcium bzw. Seltenerdelementen zugesetzt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stahlzusammensetzung bereitzustellen, die so wärmebehandelt werden kann, daß sie einheitlich die gewünschten Eigenschaften erreicht.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Stahlzusammensetzung zur Verwendung in Druckbehältern:
Kohlenstoff zwischen 0,32 und 0,37 Gewichtsprozent
Silizium zwischen 0,15 und 0,35 Gewichtsprozent
Mangan zwischen 0,60 und 0,90 Gewichtsprozent
Chrom zwischen 0,80 und 1,10 Gewichtsprozent
Molybdän zwischen 0,35 und 0,55 Gewichtsprozent
Phosphor höchstens 0,02 Gewichtsprozent
Schwefel höchstens 0,005 Gewichtsprozent
Aluminium zwischen 0,01 und 0,05 Gewichtsprozent
Nickel höchstens 0,25 Gewichtsprozent
Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen Rest
Es hat sich bei Verwendung der richtigen Wärmebehandlung als möglich erwiesen, durch eine Erhöhung der Molybdänmenge und eine Verringerung der Schwefelmenge gegenüber bestehenden Zusammensetzungen die gewünschte Festigkeit, Zähigkeit und Dehnbarkeit zu erreichen, die für Gasvorratszylinder erforderlich sind, wenn die Wandbelastung der Zylinder erhöht wird.
Der Stahl kann zur Verleihung der gewünschten Eigenschaften in einem dreiphasigen Verfahren wärmebehandelt werden. Zunächst wird der Stahl austenitisiert, und der erwärmte Stahl wird sofort abgeschreckt. Dann wird der Stahl angelassen.
Die Austenitisierung kann für zwanzig Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 870 - 920ºC durchgeführt werden. Beim Abschreckmedium kann es sich um Mineralöl oder um eine andere geeignete Flüssigkeit handeln, welche die gewünschte Kühlrate bereitstellt. Das Anlassen kann für dreißig Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 580 - 630ºC durchgeführt werden, wobei die genaue verwendete Temperatur von den konkreten Stahlzusammensetzungen innerhalb der oben genannten Bereiche und von den gewünschten mechanischen Eigenschaften, die erforderlich sind, abhängt.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer Stahlzusammensetzung in den angegebenen Bereichen, die wie beschrieben wärmebehandelt wird, Zugfestigkeiten des Gasvorratszylinders von bis zu 1250 N/mm² erreicht werden können, und zwar mit entsprechenden Werten für Streckgrenzenfestigkeit, Zähigkeit und Dehnbarkeit für die genannte Gasspeicheranwendung.
Die Stahlzusammensetzung umfaßt bevorzugt:
Kohlenstoff zwischen 0,32 und 0,36 Gewichtsprozent
Silizium zwischen 0,15 und 0,35 Gewichtsprozent
Mangan zwischen 0,60 und 0,90 Gewichtsprozent
Chrom zwischen 0,80 und 1,10 Gewichtsprozent
Molybdän zwischen 0,40 und 0,50 Gewichtsprozent
Phosphor höchstens 0,01 Gewichtsprozent
Schwefel höchstens 0,005 Gewichtsprozent
Aluminium zwischen 0,010 und 0,050 Gewichtsprozent
Nickel höchstens 0,25 Gewichtsprozent
Die Eigenschaften der Zusammensetzung können durch eine weitere Verringerung des Schwefelgehalts auf weniger als 0,003 Gewichtsprozent weiter verbessert werden.
Die Abschrecktemperatur liegt bevorzugt im Bereich von 880 - 900ºC, und das Anlassen wird bei einer Temperatur von mindestens 570ºC ausgeführt.
Die zu erwartende Zugfestigkeit einer solchen, wie angedeutet wärmebehandelten Zusammensetzung sollte im Bereich von 1069 - 1260 N/mm² liegen, und ihre Streckgrenzenfestigkeit sollte über 960 N/mm² liegen.
Die Stahlzusammensetzung kann mittels des Lichtbogenverfahrens oder mittels des Sauerstoffverfahrens hergestellt werden und kann mit Öl abgeschreckt und angelassen werden. Zusammensetzungen mit einem so niedrigen Schwefelgehalt werden im allgemeinen mittels Verfahren der Sekundärmetallurgie erhalten, bei denen Stahl von einem Ofen für nachfolgende metallurgische Verfahren zu einer Sekundäreinheit, wie zum Beispiel einem Pfannenofen, geführt wird. Zur Vermeidung eines Mitreißens von Schlacke wird der Stahl durch ein eingetauchtes Abstichloch vom Primärofen abgestochen. Im Sekundärofen bzw. -gefäß kann der Stahl je nach den Erfordernissen der vorliegenden Zusammensetzung auf niedrige Schwefelniveaus entschwefelt werden. Ferner können das Legieren und die Entfernung von Oxidationsprodukten unter Verwendung von Inertgas stattfinden, um die Anwesenheit von Sauerstoff zu vermeiden.

Beispiel

Bei einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung umfaßte die Zusammensetzung:
Kohlenstoff 0,36 Gewichtsprozent
Silizium 0,27 Gewichtsprozent
Mangan 0,69 Gewichtsprozent
Chrom 1,03 Gewichtsprozent
Molybdan 0,46 Gewichtsprozent
Phosphor 0,006 Gewichtsprozent
Schwefel 0,002 Gewichtsprozent
Aluminium 0,028 Gewichtsprozent
Nickel 0,11 Gewichtsprozent
Das Abschrecken wurde bei 880ºC in Mineralöl ausgefuhrt, und das Anlassen wurde bei 580ºC durchgeführt. Es zeigte sich, daß die Zugfestigkeit eines solchen Stahls 1100 N/mm² und die Streckgrenzenfestigkeit 1000 N/mm² beträgt.
Die Stahlzusammensetzung aus dem Beispiel kann bei einem Gaszylinder der Art verwendet werden, wie er in der beiliegenden Zeichnung gezeigt ist, die einen senkrechten Querschnitt durch einen Zylinder zeigt.
Die Zeichnung zeigt einen nahtlosen Gasbehälter 10 allgemein zylindrischer Gestalt mit einem oberen Auslaßende 11 und einem unteren Ende 12. Das Auslaßende ist allgemein halbkugelförmig und konkav relativ zum Druck und hat dabei eine größere Wanddicke als die Seitenwand 13, und das untere Ende 12 ist konvex relativ zum Druck und hat ebenfalls eine größere Wanddicke als die Seitenwand 13.
Das Auslaßende 11 trägt die (nicht gezeigten) Einlaß- und Auslaßanschlüsse, mit deren Hilfe der Behälter gefüllt und geleert wird.
Der Behälter wird durch Warmziehen gebildet und weist einen angeformten Boden 12 auf, der durch Rückwärts-Fließpressen und Ziehen gebildet wird. Das Auslaßende wird durch Warmdrücken gebildet.
Durch Bildung des dargestellten Behälters unter Verwendung der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung kann die Speicherkapazität des Behälters gegenüber bestehenden Stahlzusammensetzungen wesentlich erhöht werden. So kann der Arbeitsdruck bei 300 Bar oder etwas darüber liegen, und der notwendige Sicherheitsfaktor ist noch gegeben. Durch eine Erhöhung der Kapazität kann eine wesentliche Verbesserung der Transport- und Lagerkosten erreicht werden. Zugleich bleiben die Erfordernisse der Wärmebehandlung für den Stahl im normalen Rahmen der Möglichkeiten zur Herstellung solcher Vorratsbehälter.

Claims

1. Stahlzusammensetzung zum Einsatz bei Druckbehältern, die, ausgedrückt in Gewichtsprozent, folgendes umfaßt:

Kohlenstoff 0,32 - 0,37%

Silizium 0,15 - 0,35%

Mangan 0,60 - 0,90%

Chrom 0,80 - 1,10%

Phosphor höchstens 0,02%

Aluminium 0,01 - 0,05%

Nickel höchstens 0,25%

Molybdan 0,35 - 0,55%

und Schwefel zu höchstens 0,005%, wobei der Rest durch Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet wird.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelgehalt kleiner ist als 0,003%.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Molybdängehalt im Bereich von 0,40 - 0,50% liegt.

4. Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Stahl mittels Abschrecken bei einer Temperatur im Bereich von 870 - 920ºC wärmebehandelt wird und das Anlassen im Bereich von 570 - 630ºC durchgeführt wird.

5. Druckbehalter, der aus der Stahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 4 gebildet ist.

6. Druckbehälter nach Anspruch 5 in Gestalt eines Gaszylinders.