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Beginnen wir mit den Grundlagen:
Herausforderungen und Lösungen bei der Reparatur von Bauteilen mit Schweißzusätzen in der Stahlindustrie
Wir haben uns mit Tim Suys, der seit mehr als 25 Jahren Expertise und Berufserfahrung beim Verschleißschutz durch Auftragschweißen gesammelt hat und für die globale Geschäftsentwicklung für die Stahlindustrie bei UTP verantwortlich ist, zusammengesetzt. Er gibt uns Antworten zu den aktuellen Herausforderungen bei der Reparatur von Stranggusswalzen. Lesen Sie jetzt das Experteninterview!
Die Stahlwerke stellen immer mehr Spezialstähle her, z. B. hochfeste Stähle. Diese Stähle verursachen einen höheren Verschleiß an den Gießwalzen. Die Bereitstellung der richtigen Schweißzusätze zur weiteren Verbesserung der Lebensdauer von Stranggussanlagen ist eine große Herausforderung.
Wie begegnet UTP den Herausforderungen der erhöhten Verschleißbelastung?
Teile zu reparieren ist immer nachhaltiger als sie durch neue Teile zu ersetzen. Deshalb versuchen wir ständig, unsere Produkte und Dienstleistungen zu verbessern, um die besten Lösungen für Stahlhersteller anzubieten.
Mit den speziellen Schweißprodukten, die wir im Laufe der Jahre entwickelt haben, können wir den Walzen eine viel bessere Lebensdauer verleihen, die bis zu 50 % höher ist als bei den alten Lösungen. Natürlich werden wir auch weiterhin an neuen Legierungskonzepten arbeiten, um die kommenden Herausforderungen zu meistern.
Ein herausragendes Projekt war das mit ArcelorMittal in Gent, Belgien. Die dortige Stranggussanlage hatte Probleme mit den Antriebsrollen. Wir führten eine 15%ige Kobaltlegierung als Zusatzwerkstoff ein, die die Lebensdauer der Walzen verdoppelte - eine echte Erfolgsgeschichte im Stahlsegment der Schweißindustrie.
Könnten Sie uns einige Tipps geben, wie die Produktivität gesteigert werden kann, indem der Verschleiß der Walzen verringert wird?
Die richtige Auswahl der Materialien für die sogenannten Panzerungen (Auftragschweißen mit gegenüber dem Grundwerkstoff verschleißbeständigerem Auftragwerkstoff) sind äußerst wichtig. Dabei spielen die chemischen Zusammensetzung, die Temperaturbedingungen, die Geometrie und die Rauheit der Oberfläche der spezifischen Stahlsorten, die gegossen werden sollen, eine große Rolle. Natürlich auch die Umgebung, einschließlich Temperatur, Feuchtigkeit und korrosive Medien, dabei sind folgende Punkte zu beachten:
- Korrekte Ausrichtung der Gießwalzen und Lastverteilung - Eine falsche Ausrichtung kann zu ungleichmäßigem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall der Walzen führen. Außerdem ist es wichtig, die Ausrichtung der Walzen während ihrer Lebensdauer regelmäßig zu überprüfen und bei Bedarf zu korrigieren. Darüber hinaus trägt eine Fehlausrichtung zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung bei, die wiederum zu einem übermäßigen Verschleiß bestimmter Rollen oder sogar zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Daher sollte die Last gleichmäßig verteilt werden.
- Einhaltung des Wartungsplan - Einfache Maßnahmen wie regelmäßige Reinigung und Wartung, ordnungsgemäße Schmierung, richtige Handhabung, geschultes Personal, das die Ausrüstung bedient, und regelmäßige Inspektionen können den
Verschleiß der Rollen erheblich reduzieren. - Oberflächenschutz - Durch das Aufbringen von Hartauftragsschichten lässt sich der Verschleiß von Gießwalzen wirksam bekämpfen. Das Aufschweißen von Plattierungen ist eine der wirksamsten Methoden, um diesen schweren Bedingungen zu widerstehen und so die Lebensdauer von Gießwalzen zu verlängern.
Der am häufigsten verwendete Werkstoff für die Plattierung von Stranggusswalzen ist beispielsweise ein modifizierter martensitischer Edelstahl der Reihe AISI 400 mit 12 % Chrom. Die Einführung von Schweißplattierungen mit diesen Werkstoffen Mitte bis Ende der 1980er Jahre hat die Produktqualität und die Lebensdauer von Stranggießwalzen deutlich verbessert.
Wie verschleißen Walzen und was sind die Ursachen für diesen Verschleiß?
Gießwalzen sind äußerst anspruchsvollen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Sie müssen hohen Flächendruck, hohen Temperaturen, abrasiven Oxiden und Schlacken sowie zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten. Im Laufe der Zeit führen diese Bedingungen zu verschiedenen Arten von Verschleißmechanismen, einschließlich abrasivem Verschleiß, adhäsivem Verschleiß, Oxidation, plastischer Verformung, Ermüdung, Korrosion und in einigen Fällen sogar zu katastrophalem Versagen.
Das ist eine lange Liste von Herausforderungen! Können Sie uns einige dieser Verschleißmechanismen erläutern, beginnend mit abrasivem und adhäsivem Verschleiß?
Abrasiver und adhäsiver Verschleiß werden hauptsächlich durch den Kontakt mit Oxiden, Schlacke und der Bramme selbst verursacht. Wenn die Schmelze erstarrt und abgezogen wird, ist die Walzenoberfläche den abrasiven Kräften der erstarrten Oxide und der Schlacke ausgesetzt, die sich auf der gegossenen Bramme bilden. Diese Kräfte führen im Laufe der Zeit zu einem Verschleiß der Walzenoberfläche.
Wie trägt die Oxidation zum Verschleiß von den Walzen bei?
Die Oxidation ist besonders wichtig bei hohen Temperaturen in Kombination mit Wasserdampf. Dieser Prozess führt zur Bildung von Oberflächenoxiden, die den Abrieb verschlechtern. Dieser Oxidationsprozess führt zu einem "Elefantenhaut"-Muster auf der Walzenoberfläche - ein Ergebnis der Oxidation entlang der Korngrenzen. Dieses Muster schwächt die Oberfläche und führt häufig zu Rissen und Abplatzungen im Material.
Das klingt nach einem ernsthaften Problem. Und was ist mit plastischer Verformung und Ermüdung - wie wirkt sich das auf die Walzen aus?
Plastische Verformung tritt auf, wenn sich die Walzenoberfläche durch den hohen Kontaktdruck der heißen Bramme verformt, insbesondere wenn die Walzen diesen Kräften wiederholt ausgesetzt sind.
Thermische und mechanische Ermüdung sind ebenfalls wichtige Verschleißmechanismen. Während sich die Walze dreht, ist sie zyklischen Belastungen durch den Brammendurchlauf und Biegekräften sowie extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt, wenn die Oberfläche in Kontakt mit der heißen Bramme kommt, die bis zu 600 °C heiß sein kann, und dann durch Wasserberieselung abgekühlt wird. Diese wiederholten Temperaturwechsel verursachen ein feines Netz von Rissen, die als "Brandrisse" bekannt sind und eine der Hauptursachen für Materialverluste darstellen.
Welche Rolle spielen die Mechanismen der Korrosion bei der Verschlechterung des Zustands von Walzen?
Korrosionsmechanismen wie Lochfraß und Spaltkorrosion haben ihre Ursache in aggressiven sauren Umgebungen innerhalb der Gießanlage, die häufig auf lokale Bedingungen zurückzuführen sind, die eine anodische Auflösung des Stahls begünstigen. Ein weiteres Problem ist die Formflusskorrosion, bei der das Spritzwasser, das häufig Flusssäure aus Reaktionen mit dem Formflusspulver enthält, eine Umgebung mit niedrigem pH-Wert erzeugt. Diese Umgebung beschleunigt Lochfraß, Spaltkorrosion und kann zu Spannungsrisskorrosion führen, insbesondere in Bereichen mit Oberflächenunterbrechungen.
Sie haben vorhin katastrophale Ausfälle erwähnt. Können Sie erklären, wie diese entstehen?
Ein katastrophales Versagen kann entweder durch eine unangemessene Werkstoffauswahl oder durch die bereits erwähnten fortschreitenden Verschleißmechanismen verursacht werden. So können z.B. übermäßige Abplatzungen, Oberflächenschäden oder Walzenbrüche auf Verschleißmechanismen wie thermische Ermüdung, Oxidation oder Korrosion zurückgeführt werden. Bleiben diese Mechanismen unkontrolliert, führen sie schließlich zum plötzlichen Totalausfall.
Wie können die Betreiber angesichts so vieler Verschleißmechanismen diesen Problemen vorbeugen? Gibt es Strategien, die helfen können?
Ja, es gibt mehrere wichtige Strategien, um diese Probleme zu entschärfen.
Eine der wirksamsten vorbeugenden Maßnahmen sind Auftragschweißen mit gegenüber dem Grundwerkstoff verschleißbeständigerem Auftragwerkstoff. Diese Schichten sollten so konzipiert sein, dass sie den rauen Bedingungen des Stranggießens standhalten. Insbesondere sollten die Schutzschichten die folgenden Anforderungen erfüllen:
- Für abrasiven und adhäsiven Verschleiß ist eine hohe Kombination von Härte und Festigkeit mit ausreichender Zähigkeit erforderlich. Es ist wichtig, den δ-Ferritgehalt im Schweißgut auf etwa 9 % zu begrenzen, da überschüssiges Ferrit die Härte und Festigkeit der Plattierung verringern kann.
- Um der Oxidation bei hohen Temperaturen entgegenzuwirken, trägt ein hoher Chromgehalt (über 12 %) in der Schweißplattierung zur Bildung einer stabilen, regenerierbaren Oxidschicht bei. Darüber hinaus kann eine Legierung mit Stickstoff die Oxidschicht weiter stabilisieren. Die Bildung einer stabilen, stickstoffmodifizierten FeO.Cr2O3-Spinellphase auf der Walzenoberfläche sorgt für einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und eine bessere Beständigkeit gegen Rissbildung und adhäsiven Verschleiß. Stickstoff bildet außerdem Nitridausscheidungen, die das Kornwachstum hemmen und so die Stabilität der Oxidschicht und den Widerstand gegen adhäsiven Verschleiß verbessern.
- Während der plastischen Verformung müssen Festigkeit und Duktilität der Plattierungsschicht dem wiederholten und starken Kontakt mit der heißen Bramme standhalten.
Sie haben die Bedeutung der Materialzusammensetzung der Panzerung oder Plattierung erwähnt. Könnten Sie die spezifischen Konstruktionseigenschaften oder Materialien näher erläutern, die dazu beitragen, Gießwalzen vor den verschiedenen Formen des Verschleißes zu schützen?
Die Wahl des Materials ist entscheidend für die Lebensdauer der Rollen. Hier sind einige wichtige Anforderungen:
- Anlassbeständigkeit: Eine hohe Anlassbeständigkeit ist wichtig, um ein Aufweichen der Schutzschicht bei hohen Temperaturen zu verhindern.
- Thermische und mechanische Ermüdung: Um eine hohe Ermüdungsfestigkeit zu erreichen, sollte die Schutzschicht eine geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Beanspruchung beim Aufheizen und Abkühlen zu verringern. Die Kontrolle der Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffs, insbesondere die Begrenzung des Restaustenitgehalts, minimiert Ausdehnungsunterschiede, die die Schicht schwächen können.
- Lokale Korrosion: Um Lochfraß und Spaltkorrosion zu vermeiden, sollte die Schutzschicht einen hohen Anteil an Chrom, Molybdän und Stickstoff enthalten, die die Passivität und Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien erhöhen.
- Vorzeitige interkristalline Korrosion: Diese Art von Korrosion kann beim Auftragschweißen in mehreren Lagen, dem sogenannten Mehrlagenschweißen, auftreten. In diesem Fall kann die langsame Abkühlung die Bildung von chromreichen M23C6-Karbiden an den Grenzen zwischen Austenitkorn und Martensitschicht begünstigen. Diese Karbide entziehen der umgebenden Matrix Chrom, so dass diese in den chromarmen Bereichen, insbesondere in den wiedererwärmten Zonen oder zwischen den Schweißnähten, korrosionsanfällig wird. Eine Verringerung des Kohlenstoffgehalts und eine Erhöhung des Chrom- und Stickstoffgehalts können dazu beitragen, die Sensibilisierung und Korrosion in diesen Bereichen zu verringern.
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Spannungsrisskorrosion (SCC): Spannungsrisskorrosion wird häufig durch die Bildung von Korrosionsgrübchen oder -spalten in wiedererwärmten oder überlappten Bereichen verursacht, in denen der thermische Zyklus der Schweißnaht zu einer Verarmung an Chrom führen kann. Diese Verarmung macht die Bereiche anfälliger für interkristallinen Angriff, insbesondere unter Zugspannung. Diese Risse können sich ausbreiten und die Schutzschicht schwächen.
Um sowohl vorzeitige interkristalline Korrosion als auch SCC zu reduzieren, sollten Schutzschichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit, guter Schweißbarkeit und angemessenen Kosten entwickelt werden. Darüber hinaus ist eine sorgfältige Kontrolle der Legierungszusammensetzung, der Abkühlraten und der thermischen Zyklen während des Schweißens unerlässlich, um eine Sensibilisierung zu vermeiden und die Lebensdauer der Walze zu verlängern.
Es scheint also, dass der Auswahl von Materialien, die nicht nur sofortige Härte, sondern auch langfristige Beständigkeit unter extremen Bedingungen bieten, große Aufmerksamkeit geschenkt wird.
Gibt es zusätzliche Maßnahmen, die die Betreiber bei der Instandhaltung ergreifen können, um die optimale Funktion dieser Schichten zu gewährleisten?
Ja, die Wartung ist genauso wichtig wie die ursprüngliche Materialauswahl. Bei routinemäßigen Inspektionen können Anzeichen von vorzeitigem Verschleiß wie Lochfraß, Risse oder Korrosion festgestellt werden. Jede sichtbare Beschädigung sollte sofort repariert werden, um ein Fortschreiten zu verhindern. Die Anwendung dieser Strategien - sowohl bei der Werkstoffauswahl als auch bei der Instandhaltung - hilft den Betreibern, die Lebensdauer der Gießwalzen zu maximieren und gleichzeitig die Produktionseffizienz aufrechtzuerhalten.
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