EP0892078B1 - Gitterrost für einen Winderhitzer - Google Patents

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EP0892078B1
EP0892078B1 EP97112351A EP97112351A EP0892078B1 EP 0892078 B1 EP0892078 B1 EP 0892078B1 EP 97112351 A EP97112351 A EP 97112351A EP 97112351 A EP97112351 A EP 97112351A EP 0892078 B1 EP0892078 B1 EP 0892078B1
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EP
European Patent Office
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materials
mpa
cast
grating
temperature
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EP97112351A
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EP0892078A1 (de
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Christian Dr. Biegus
Kurt Braun
Hans-Eugen Prof. Dr. Bühler
Teodor Dr. Krone
Wolfgang Prof. Dr. Bleck
Ulrich Jobst Brand
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Paul Wurth Deutschland GmbH
Original Assignee
Didier M&P Energietechnik GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
    • C22C37/08—Cast-iron alloys containing chromium with nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases
    • F27D17/10—Arrangements for using waste heat
    • F27D17/12—Arrangements for using waste heat using heat storage
    • F27D17/13—Arrangements for using waste heat using heat storage using regenerative heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material

Definitions

  • the invention relates to a grate for a hot water heater, which consists of a easily machinable cast material, which is a long-term use with increased Exhaust gas temperatures on the grating up to 600 ° C allowed without permanent operation There is a risk of material failure over a period of 20 years.
  • Gratings made of cast materials are used in hot air heaters in the grate shafts as Support structure for the trimmings, i.e. for those that use regenerative heat storage inserted storage stones in systems with internal or external Burning shaft.
  • the task therefore was to close a grate for a hot water heater develop, which consists of an inexpensive to produce casting material, the allows long-term use at elevated exhaust gas temperatures of up to 600 ° C, without fear of material failure.
  • the casting materials mentioned above were on the one hand with a conventional, chrome-alloyed GG25, showing a lamellar graphite structure, a standard material for gratings (V1), but also with Trial bars of gratings from the blast furnace systems of blast furnace 6 Thyssen Stahl AG (V5) and with samples from the grate of the hot water heater A1 des Blast furnace A of Preussag Stahl AG (V6) compared.
  • the grating of the Blast heater system of blast furnace 6 of Thyssen Stahl AG has been around for about 30 years in operation.
  • Blast furnace A of Preussag Stahl AG was built in 1981, whereby the hot air heater was first put into operation without air preheating and since 1986 after installing a heat recovery system Exhaust gas temperatures around 400 ° C was operated with the grating from the Blast heater system of blast furnace 6 of Thyssen Stahl AG (V5) an unalloyed gray cast iron that corresponds to the composition of a GG25.
  • the Grating from the blast heater system of blast furnace A from Preussag Stahl AG (V6) is in its chemical composition with the alloyed GG25 (V1) comparable.
  • the casting materials mentioned above were also included a material of the basic composition of a GGG60 with pearlitic-bainitic Basic matrix (V3) compared
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the temperature profiles of the gratings of the Winder heater A1 of the blast furnace A of Preussag Stahl AG and the winder heater of blast furnace 6 of Thyssen Stahl AG. The cyclical change of the is shown different maximum exhaust gas temperature
  • Fig. 1 The temperature profile shown in Fig. 1 shows the constant extreme Temperature changes, which those made from the cast materials V5 and V6 Gratings have been exposed for many years. To the thermal load enormous static, mechanical and oxidative stresses come when one assumes 8 to 10 temperature cycles per day, about 3,000 Temperature cycles per year are the same as those required by a grating Lifespan of 20 to 30 years, a low-frequency continuous load of far result in over 60,000 temperature cycles.
  • FIG. 2 shows the course of the hot tensile strength (R m ) as a function of the test temperature.
  • the cast materials V2 and V4 show higher hot tensile strengths at all temperatures than the cast material V1 (GG25) corresponding to the state of the art.
  • the particularly high hot tensile strength of the cast material V3 cannot be used for a certain reason, which can be clearly seen from the diagram in FIG. 3.
  • the conventional casting material V1 is inferior to the casting materials V2 and V4 according to the invention, because - as FIG. 2 shows - its hot tensile strength, measured according to DIN 1691, is significantly below the strength values of V2 and V4. It is noteworthy that a significant decrease in strength occurs at 500 ° C for material V1, while a comparable decrease in strength can only be observed with material V2 from 600 ° C.
  • the tensile strengths determined for the materials examined are summarized in Table 2 below: Determined tensile strengths for the investigated materials Temperature in ° C V1 R m in MPa V2 R m in MPa V3 R m in MPa V4 R m in MPa V5 R m in MPa V6 R m in Mpa RT (DIN 50 109) 257 328 622 480 142 175 200 249 330 511 453 137 144th 400 260 296 370 466 131 145 500 244 269 409 374 100 125 550 - - 390 344 68 - 600 171 241 262 266 - 84 650 132 205 267 207 - - 700 103 156 - 148 - 46 750 54 85 - 87 - - 800 - - - - - - -
  • the conversion behavior that is important for the mechanical properties of the gray cast iron materials is represented by the dilatometer curves of FIG. 3.
  • the conversion temperatures and thermal expansion coefficients found for the alloys examined are summarized in Table 3 Determined transition temperatures and thermal expansion coefficients for materials V1, V2, V3 and V4 material A c1 in ° C A c3 in ° C Thermal expansion coefficient in ferrite in ⁇ m / m K GG25-Cr (V1) 783 813 10.8 ( ⁇ 750 ° C) GG25-Cr-Ni-Mo (V2) 755 801 10.8 ( ⁇ 750 ° C) GGG60 (V3) 714 796 18.3 ( ⁇ 400 ° C) GGG50 (V4) 774 839 15.2 ( ⁇ 700 ° C)
  • the examined casting materials show in metallographic examinations following properties. While the structure of materials V1 and V2 by the usual lamellar graphite arrangement and the pearlitic-leather-buritic Structure is determined, the material V4 is a vermicular Formation of graphite before. The mechanical properties of materials This structure formation is to be found between gray cast iron and nodular cast iron Examination of the cast material V4 has a 30% sparolitic training result Its matrix is ferritic-pearlitic and contains no ledeburitic Shares more. In contrast, spheroidal graphite cast iron GGG60 (V3) has a bainitic pearlitic Structure on, for the reasons already mentioned to be less favorable mechanical properties. In addition, the high strength values at a pearlitic-bainitic structure to problems in machining lead, so that this material for the production of gratings in hot air heaters for this reason too it must be regarded as unsuitable
  • the chrome-alloyed material V6 obtained from Preussag Stahl AG shows up to the maximum operating temperature of 420 ° C strength values between 175 MPa and 145 MPa.
  • V5 and V6 it could be demonstrated that none despite decades of use in the temperature range under consideration significant losses in strength. This can be explained by that these cast materials do not exist in the temperature range examined Experienced structural changes and a linear expansion coefficient demonstrate.
  • Both the cast material V2 and the cast material V4 show strength values at temperatures of 600 ° C, which are comparable to the strength value of the cast material V1 at 400 ° C. Based on the permissible voltages with a safety factor of around 8, the following permissible voltages result at an operating temperature of 600 ° C: Permissible stress of the casting materials according to the invention at 600 ° C. casting material Allowable voltage V2 29 MPa V4 32 MPa
  • the material according to the invention thus allows, in the conventional Temperature range up to 400 ° C weight savings of the gratings. He Above all, it also enables hot air heaters in a temperature range up to 600 ° C to operate, reducing the size by saving energy achieve a higher efficiency and thus a higher one Offer environmental sustainability. This is associated with material savings of up to 30% without compromising the high standard of security criteria.

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Gitterrost für einen Winderhitzer, der aus einem gut bearbeitbaren Gußwerkstoff besteht, welcher einen Langzeiteinsatz bei erhöhten Abgastemperaturen am Gitterrost bis zu 600°C erlaubt, ohne daß beim Dauerbetrieb über einen Zeitraum von 20 Jahren ein Werkstoffversagen zu befürchten ist.
Gitterroste aus Gußwerkstoffen dienen in Winderhitzern in den Gitterschächten als Tragekonstruktion für den Besatz, also für die zur regenerativen Wärmespeicherung eingebrachten Speichersteine in Anlagen mit innenstehendem oder außenliegendem Brennschacht.
Es ist bekannt, daß in modernen Anlagen mit Gas- und Luftvorwarmung die Gitterroste Temperaturen bis zu 450°C ausgesetzt sind. Noch höhere Anwendungstemperaturen von bis zu 600°C würden es ermöglichen, die Besatzvolumina zu verringern, die Vorwärmanlagen besser zu nutzen und somit den Gesamtwirkungsgrad einer Winderhitzeranlage unter gleichzeitiger Verringerung der Baugröße um bis zu 20% zu erhöhen Anwendungstemperaturen von bis zu 600°C werden aber von den bisher zur Herstellung von Gitterrosten verwendeten Gußwerkstoffen der Grundzusammensetzung eines GG25, also eines Graugusses mit lamellarem Graphit und einer chemischen Zusammensetzung von etwa 3,3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ca. 0,6 Gewichtsprozent Mangan, 1,8 bis 2 Gewichtsprozent Silicium und außerdem einem Chromgehalt von etwa 0,7 Gewichtsprozent im Langzeiteinsatz nicht ausgehalten.
Es stellte sich deshalb die Aufgabe, einen Gitterrost für einen Winderhitzer zu entwickeln, der aus einem kostengünstig herstellbaren Gußwerkstoff besteht, der einen Langzeiteinsatz bei erhöhten Abgaßtemperaturen von bis zu 600°C erlaubt, ohne daß ein Werkstoffversagen zu befürchten ist.
Gelost wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch einen Gitterrost für einen Winderhitzer, der aus einem Gußwerkstoff besteht, der
  • ein lineares Ausdehnungsverhalten und keine nennenswerten Gefügeveränderungen im Bereich zwischen 20 und 600°C zeigt;
  • eine Festigkeit von mehr als 240 MPa (gemessen nach DIN 1691) bei einer Temperatur von 600°C und
  • eine Zahigkeit mit einer Dehnrate von mehr als 10% aufweist.
Der Gußwerkstoff, der für einen Gitterrost in einem Winderhitzer bei Temperaturen bis zu 600°C eingesetzt wird, besteht aus einem perlitischledeburitischen Gußwerkstoff mit lamellarer Graphitstruktur und bevorzüglich einem Gehalt von
  • 0,6 bis 1,0 Gewichtsprozent Chrom,
  • 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Nickel und
  • 0,4 bis 0,7 Gewichtsprozent Molybdän.
wobei die Gesamtmenge von Chrom, Nickel und Molybdän zwischen 1,8 und 3,2 Gewichtsprozent des Gußwerkstoffes betragt.
Die vorstehend genannten Gußwerkstoffe wurden einerseits mit einem konventionellen, chromlegierten, eine lamellare Graphitstruktur zeigenden GG25, also einem Standardwerkstoff für Gitterroste (V1), andererseits aber auch mit Probestäben von Gitterrosten aus den Winderhitzeranlagen des Hochofens 6 der Thyssen Stahl AG (V5) und mit Proben aus dem Gitterrost des Winderhitzers A1 des Hochofens A der Preussag Stahl AG (V6) verglichen. Der Gitterrost der Winderhitzeranlage des Hochofens 6 der Thyssen Stahl AG ist bereits seit ungefähr 30 Jahren in Betrieb. Der Hochofen A der Preussag Stahl AG wurde 1981 erbaut, wobei der Winderhitzer zunächst ohne Luftvorwarmung in Betrieb genommen und seit 1986 nach Installation einer Wärmerückgewinnungsanlage mit Abgastemperaturen um 400°C betrieben wurde Bei dem Gitterrost aus der Winderhitzeranlage des Hochofens 6 der Thyssen Stahl AG (V5) handelt es sich um einen unlegierten Grauguß, der der Zusammensetzung eines GG25 entspricht. Der Gitterrost aus der Winderhitzeranlage des Hochofens A der Preussag Stahl AG (V6) ist in seiner chemischen Zusammensetzung mit dem legierten GG25 (V1) vergleichbar.
Die vorstehend genannten Gußwerkstoffe wurden darüber hinaus auch noch mit einem Werkstoff der Grundzusammensetzung eines GGG60 mit perlitischbainitscher Grundmatrix (V3) verglichen
Die chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Gitterrostwerkstoffe sind der folgenden Tabelle 1 zu entnehmen:
Chemische Zusammensetzung der untersuchten Grauguß- Werkstoffe
Werkstoff Elemente in Gewichtsprozent
C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu
V1 3,32 1,90 0,63 0,07 0,07 0,73 0,11 0,03 0,12
V2 3,16 1,90 0,62 0,07 0,06 0,86 1.00 0.51 0,12
V3 3.48 2,00 0,20 0,04 0,01 - 1,00 0,30 1,09
V4 3,40 2,70 0,90 0.05 0,03 0,50 0,60 0,10 0,15
V5 3,26 1,57 0,52 0,09 0,09 0,03 - - -
V6 3,20 1,99 0,75 0,16 0,09 0,59 0,06 0,01 0,07
Die Eigenschaften der untersuchten Gußwerkstoffe sind in den Diagrammen der beiliegenden Fig 1 bis 3 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Temperaturprofile der Gitterroste des Winderhitzers A1 des Hochofens A der Preussag Stahl AG und der Winderhitzer des Hochofens 6 der Thyssen Stahl AG. Dargestellt ist der zyklische Wechsel der unterschiedlichen maximalen Abgastemperatur
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Warmzugfestigkeit (Rm) in Abhängigkeit von der Temperatur für die Gußwerkstoffe V1, V2, V3 und V4.
Fig. 3 stellt die temperaturabhängige Langenanderung für die Werkstoffe V1, V2, V3 und V4 bei einem gleichgewichtsnahen Aufheizen mit 3°k/min bis zu einer Temperatur von etwa 650°C dar.
Das in Fig. 1 dargestellte Temperaturprofil zeigt den standigen extremen Temperaturwechsel, denen die aus den Gußwerkstoffen V5 und V6 hergestellten Gitterroste über viele Jahre ausgesetzt waren. Zu der thermischen Belastung kommen enorme statische, mechanische und oxidative Beanspruchungen, die, wenn man 8 bis 10 Temperaturzyklen pro Tag zugrundelegt, sich auf etwa 3.000 Temperaturzyklen pro Jahr belaufen, die bei der von einem Gitterrost geforderten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren eine niederfrequente Dauerbelastung von weit über 60.000 Temperaturzyklen ergeben.
Fig 2 zeigt den Verlauf der Warmzugfestigkeit (Rm) in Abhängigkeit von der Prüftemperatur. Dabei zeigen die Gußwerkstoffe V2 und V4 bei allen Temperaturen höhere Warmzugfestigkeiten als der dem Stand der Technik entsprechende Gußwerkstoff V1 (GG25). Die besonders hohe Warmzugfestigkeit des Gußwerkstoffes V3 kann jedoch aus einem bestimmten Grund nicht genutzt werden, der durch das Diagramm von Fig. 3 deutlich erkennbar wird.
Die in Fig. 3 dargestellte temperaturabhängige Langenänderung zeigt für den Werkstoff V3 im Bereich zwischen 400 und 500°C eine Unstetigkeit, die durch eine Bainitumwandlung zu erklären ist. Die durch die Bainitumwandlung bewirkte Unstetigkeit in der Längenänderung hat zur Folge, daß Gußwerkstoffe mit bainitischen Gefügeanteilen nicht zur Herstellung von Gitterrosten verwendet werden können, weil diese zu Spannungen im Winderhitzer führen könnte, die dessen Stabilität in Frage stellen würde. Deshalb werden zur Herstellung von Gitterrosten für Winderhitzeranlagen nur Gußwerkstoffe verwendet, die ein lineares Ausdehnungsverhalten zeigen, also einen linearen Ausdehnungskoeffizienten haben, und keine nennenswerten Gefügeveränderungen im Bereich zwischen 20 und 600°C zeigen. Das geforderte lineare Ausdehnungsverhalten ist bei den Gußwerkstoffen V1, V2 und V4 vorhanden.
Der konventionelle Gußwerkstoff V1 ist jedoch den erfindungsgemäßen Gußwerkstoffen V2 und V4 unterlegen, weil - wie Fig. 2 zeigt - seine Warmzugfestigkeit, gemessen nach DIN 1691, deutlich unter den Festigkeitswerten von V2 und V4 liegt. Bemerkenswert ist, daß für den Werkstoff V1 ein signifikanter Festigkeitsabfall bei 500°C eintritt, während ein vergleichbarer Festigkeitsabfall bei dem Werkstoff V2 erst ab 600°C zu beobachten ist. Die ermittelten Zugfestigkeiten für die untersuchten Werkstoffe sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengestellt:
Ermittelte Zugfestigkeiten für die untersuchten Werkstoffe
Temperatur in °C V1 Rm in MPa V2 Rm in MPa V3 Rm in MPa V4 Rm in MPa V5 Rm in MPa V6 Rm in Mpa
RT (DIN 50 109) 257 328 622 480 142 175
200 249 330 511 453 137 144.
400 260 296 370 466 131 145
500 244 269 409 374 100 125
550 - - 390 344 68 -
600 171 241 262 266 - 84
650 132 205 267 207 - -
700 103 156 - 148 - 46
750 54 85 - 87 - -
800 - 78 - - - -
Das für die mechanischen Eigenschaften der Graugußwerkstoffe wichtige Umwandlungsverhalten wird durch die Dilatometerkurven von Fig 3 dargestellt Die für die untersuchten Legierungen festgestellten Umwandlungstemperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten sind in Tabelle 3 zusammengefaßt
Ermittelte Umwandlungstemperaturen und Wärme- ausdehnungskoeffizienten für die Werkstoffe V1, V2, V3 und V4
Werkstoff Ac1 in °C Ac3 in °C Wärmeausdehnungskoeffizienten im Ferrit in µm/m K
GG25-Cr (V1) 783 813 10,8 (≤ 750°C)
GG25-Cr-Ni-Mo (V2) 755 801 10,8 (≤ 750°C)
GGG60 (V3) 714 796 18,3 (≤ 400°C)
GGG50 (V4) 774 839 15,2 (≤ 700°C)
Für die Werkstoffe V1 und V2 mit lamellarer Graphitausbildung wurde ein Audehnungskoeffizient von 10,8 µm/mK ermittelt. Da dem Gefüge ein bedeutender Einfluß auf den Ausdehnungskoeffizienten zukommt, weichen die gemessenen Werte des perlitisch-bainitischen V3 und auch die des Werkstoffes V4 mit Vermiculargraphit deutlich von diesem Wert ab Wichtig ist, daß die Umwandlungstemperaturen Ac1 und Ac3 der untersuchten Gußwerkstoffe V1, V2 und V4 von der geforderten Einsatztemperatur von 600°C ausreichend weit entfernt liegen, so daß eine Gefügeumwandlung nicht zu erwarten ist. Demgegenüber ist das abweichende Verhalten des Werkstoffes V3 deutlich zu erkennen.
Die untersuchten Gußwerkstoffe zeigen bei metallographischen Untersuchungen folgende Eigenschaften. Während die Gefügeausbildung bei den Werkstoffen V1 und V2 durch die übliche lamellare Graphitanordnung und das perlitischledeburitische Gefüge bestimmt ist, liegt bei dem Werkstoff V4 eine vermiculare Ausbildung des Graphits vor. Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen dieser Gefügeausbildung sind zwischen Grauguß und Sphäroguß anzusiedeln Die Untersuchung des Gußwerkstoffes V4 hat eine 30%-ige spharolitische Ausbildung ergeben Seine Matrix ist ferritisch-perlitisch und enthält keine ledeburitischen Anteile mehr. Hingegen weist der Kugelgraphitguß GGG60 (V3) ein bainitischperlitisches Gefüge auf, das aus den bereits genannten Gründen zu ungünstigeren mechanischen Eigenschaften führt. Hinzukommt, daß die hohen Festigkeitswerte bei einem perlitisch-bainitischen Gefüge zu Problemen bei der spanenden Verarbeitung führen, so daß dieser Werkstoff für die Herstellung von Gitterrosten in Winderhitzern auch aus diesem Grund als ungeeignet angesehen werden muß
Entscheidend für die Einsatzmöglichkeiten der neuen Gußwerkstoffe in Gitterrosten für Winderhitzer ist ihr Langzeitverhalten. Eine Untersuchung der im Winderhitzer langjährig eingesetzten Gußwerkstoffe V5 und V6 hat gezeigt, daß nach einer 30-jährigen Betriebszeit bei den in Fig. 1 dargestellten Abgastemperatur-Verläufen der unlegierte Werkstoff V5 im untersuchten Temperaturbereich bis 400°C Festigkeitswerte zwischen 140 MPa und 135 MPa aufweist. Bis 550°C fällt die Festigkeit dann allerdings auf einen Wert um etwa 70 MPa.
Der von der Preussag Stahl AG bezogene chromlegierte Werkstoff V6 zeigt bis zu der maximalen Einsatztemperatur von 420°C Festigkeitswerte zwischen 175 MPa und 145 MPa. Für beide Werkstoffe V5 und V6 konnte nachgewiesen werden, daß sich trotz jahrzehntelangen Einsatzes im betrachteten Temperaturbereich keine nennenswerten Festigkeitseinbußen feststellen ließen. Das ist dadurch zu erklären, daß diese Gußwerkstoffe in dem untersuchten Temperaturbereich keine Gefügeveränderungen erfahren und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zeigen.
Da diese Eigenschaften auch die erfindungsgemäßen Gußwerkstoffe V2 und V4 aufweisen, kann vorhergesagt werden, daß die erfindungsgemäßen neuen Gußwerkstoffe auch nach einer Betriebszeit von 20 Jahren im Winderhitzer bei Temperaturen bis 600°C noch Festigkeitswerte zeigen werden, die 240 MPa nicht unterschreiten Das bedeutet, daß die geforderten Sicherheitskriterien auch noch nach einer Betriebszeit von 20 Jahren vollkommen erfüllt werden
Gitterroste werden in der Praxis nicht auf Zug, wohl aber auf Biegung und Druck beansprucht. Trotzdem muß eine hohe Sicherheit gegen Zugbeanspruchung verlangt werden, um die Langzeitstabilität des Bauwerkes Winderhitzer nicht zu gefährden. Die gemessenen Ergebnisse für die Werkstoffe V1, V2 und V4 geben Gewißheit darüber, daß bei der derzeitigen maximalen Einsatztemperatur von 400°C und bei einem Sicherheitsfaktor von 8 in der Auslegung eines Gitterrostes folgende Gewichtseinsparungen gegenüber dem bisher verwendeten Gußwerkstoff GG25 (V1) erzielt werden:
  • Bei einem Gitterrost aus dem Gußwerkstoff V2 ist eine 5%-ige Gewichtseinsparung gegenüber dem Gußwerkstoff V1 zu erzielen,
  • Bei einem Gitterrost aus dem Gußwerkstoff V4 ist eine 20%-ige Gewichtseinsparung gegenüber dem Gußwerkstoff V1 zu erzielen.
Vergleicht man die zulässigen Spannungen der untersuchten Werkstoffe, dann ergeben sich bei einem Sichereitsfaktor von 8 folgende zulassige Spannungen.
Zulässige Spannungen der untersuchten Gußwerkstoffe bei 400°C
Gußwerkstoff Zulässige Spannung
V1 30 MPa
V2 34 MPa
V4 53 MPa
Bezogen auf einen konkreten Winderhitzer mit einem Gitterschachtdurchmesser von 8,5 m, 1.900 t Besatzgewicht und einer Einsatztemperatur von 400°C wurde sich beim Einsatz des Werkstoffes V4 verglichen mit dem Werkstoff V1 das Gitterrostgewicht von 89 t auf 71 t verringern. Den Gewichtsberechnungen liegen die festgelegten zulässigen Spannungen zugrunde Das bedeutet, daß jedes Bauteil des Rostes so dimensioniert ist, daß eine Spannung von 34 MPa (V2) bzw 53 MPa (V4) nicht überschritten wird.
Für die Auslegungskriterien eines für den Langzeitbetrieb von bis zu 600°C entwickelten Gitterrostes ergeben sich dabei folgende Werte:
Sowohl der Gußwerkstoff V2 als auch der Gußwerkstoff V4 zeigen bei Temperaturen von 600°C Festigkeitswerte, die dem Festigkeitswert des Gußwerkstoffes V1 bei 400°C vergleichbar sind. Bezogen auf die zulassigen Spannungen bei einem Sicherheitsfaktor von etwa 8 ergeben sich bei einer Einsatztemperatur von 600°C folgende zulässige Spannungen:
Zulässige Spannung der erfindungsgemäßen Gußwerkstoffe bei 600°C
Gußwerkstoff Zulässige Spannung
V2 29 MPa
V4 32 MPa
Da diese Spannungen im Bereich der bisher zugrundegelegten 30 MPa liegen, kann mit Sicherheit der Schluß gezogen werden, daß Gitterroste aus diesen Werkstoffen bei erhöhten Einsatztemperaturen in etwa die gleichen Gewichte haben werden, wie die bisherigen Gitterroste aus dem chromlegierten Gußwerkstoff V1
Die festgelegten zulässigen Spannungen von 30 MPa bei aus dem konventionellen Gußwerkstoff V1 hergestellten Gitterrosten stellen einen Sicherheitswert dar, der sich in den letzten Jahrzehnten bewährt hat. Berücksichtigt man zusatzlich, daß die Auslegung gegen Druck und Biegung mit den Werten der Zugversuche erfolgt, so ergibt sich ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor. Dieser liegt bei Druck um einen Faktor 4 und bei Biegung um einen Faktor 2 über dem der Zugfestigkeit Mit diesen Auslegungswerten ist sichergestellt, daß selbst bei durch Betriebsstorungen hervorgerufenen Erwärmungen des Rostes auf Temperaturen um 650°C keine unmittelbare Gefahr eines mechanischen Versagens besteht.
Die gleichen Sicherheitskriterien auf die erfindungsgemäßen Gußwerkstoffe V2 und V4 angewendet würden bedeuten, daß im Storfall bei Temperaturen von bis zu 750°C noch eine ausreichende mechanische Festigkeit vorhanden ist.
Der erfindungsgemäße Werkstoff erlaubt somit, im konventionellen Temperaturbereich bis 400°C Gewichtseinsparungen der Gitterroste. Er ermöglicht aber vor allem, auch Winderhitzer in einem Temperaturbereich bis 600°C zu betreiben, die unter Verringerung der Baugröße durch Energieeinsparung einen höheren Wirkungsgrad erreichen und damit auch eine höhere Umweltverträglichkeit bieten. Damit verbunden sind Werkstoffeinsparungen bis zu 30%, ohne daß der hohe Standard der Sicherheitskriterien beeinträchtigt wird.

Claims (2)

  1. Gitterrost für einen Winderhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß er
    aus einem Gußwerkstoff besteht,
    dessen Grundgefüge perlitisch-ledeburitisch ist und
    gleichzeitig eine lamellare Graphitstruktur aufweist, wobei der Gußwerkstoff
    ein lineares Ausdehnungsverhalten und keine nennenswerten Gefügeveränderungen im Bereich zwischen 20 und 600°C zeigt,
    eine Festigkeit von mehr als 240 MPa (gemessen nach DIN 50109) bei einer Temperatur von 600°C und
    eine Zähigkeit mit einer Dehnrate von mehr als 10 % aufweist.
  2. Gitterrost nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundgefüge des Gußwerkstoffs
    0,6 bis 1,0 Gewichtsprozent Chrom,
    0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Nickel und
    0,4 bis 0,7 Gewichtsprozent Molybdän enthält, wobei
    die Gesamtmenge von Chrom, Nickel und Molybdän zwischen 1,8 und 3,2 Gewichtsprozent des Gußwerkstoffs beträgt.
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