23/12/2016
Door Ad Spijker
Een consortium onder leiding van het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) ontwikkelt in het EU-project Z-Ultra nieuwe 12% chroomstalen voor toepassingen met hoge temperaturen.
Hogere bedrijfstemperaturen in gas- en kolencentrales zorgen voor hogere rendementen en minder CO2-uitstoot per kWh stroom. De temperatuur wordt echter door fysieke grenzen beperkt. De in centrales toegepaste materialen, in de regel staalsoorten, verliezen met toenemende temperatuur hun sterkte en kunnen de in turbines en leidingen heersende belastingen niet meer aan. Bovendien neemt met stijgende temperatuur de corrosie toe.
Chroomstaal
Om de bedrijfstemperatuur verder te laten toenemen, is een hoger chroomgehalte in het staal noodzakelijk. Dit element heeft de eigenschap dat het een beschermende chroomoxidelaag op het staaloppervlak vormt, dat beter functioneert bij hoger chroomgehalte. Dit maakt niet alleen hogere temperaturen mogelijk, maar ook het gebruik van biologisch afval en andere duurzame brandstoffen waarvan de verbrandingsprocessen zeer agressief kunnen zijn.
De hoge sterkte van de momenteel beste thermisch bestande staalsoorten berust op fijn verdeelde nitridedeeltjes. Chroomatomen kunnen bij de bedrijfstemperaturen in deze deeltjes doordringen en ze omzetten in de zogeheten Z-fase.
Ten koste van de fijne nitrides ontstaan grote Z-fase deeltjes die niet bijdragen aan de sterkte. In de huidige 9% chroomstalen duurt deze ongewenste omzetting enkele decennia, terwijl dit bij 12% chroomgehalte al in een jaar tijd voor een niet tolereerbare afname in de sterkte leidt. Om deze reden zijn 12% chroomstalen tot nu toe niet toepasbaar in centrales, omdat die voor een levensduur van meer dan tien jaar worden ontworpen.
De wetenschappers hebben legeringssamenstellingen en productiemethoden ontwikkeld, die de Z-fase heel fijn in het staal verdelen. De beste van de zeven in het project nieuw ontwikkelde legeringen zijn zo'n 30% sterker dan de gebruikelijke 9% chroomstalen.
Hoge temperaturen
Buizen uit de nieuwe materialen werden getest onder condities die in de buurt komen van die van een oververhitter in een warmtewisselaar van een centrale: hete stoom aan de binnenzijde en corrosieve verbrandingsgassen en asdeeltjes aande buitenzijde.
De tests toonden aan, dat het corrosiegedrag van de materialen tot 647°C nog steeds goed was. De beschermende oxidelagen waren gelijkmatig aangegroeid, aan de buitenzijde dikker dan aan de binnenzijde. Enkele buizen werden in een echte centrale getest. Ze zijn intussen uitgebouwd, onderzocht en opnieuw voor langeduurtests in een kolencentrale in gebruik.
Om de geschiktheid voor de praktijk aan te tonen, hebben aan het project deelnemende staalfabrikanten een groot, twaalf ton zwaar smeedstuk gemaakt (foto: Saarstahl). Niet alleen de chemische samenstelling van het staal is namelijk verantwoordelijk voor de materiaaleigenschappen, maar ook het productieproces, in het bijzonder de warmtebehandeling.
Tot slot is het belangrijk dat de uitstekende materiaaleigenschappen bij het lassen van de leidingen en andere onderdelen van de centrale behouden blijven. Een zwaartepunt in het project was daarom de ontwikkeling van geschikte lasmethoden, tot en met ringen uit het grote smeeddeel als model voor gelaste turbinerotoren.