Allzweckwaffe im Kampf gegen die Korrosion. Hybridlegierung für wechselnde aggressive Medien - prozesstechnik online

Hybridlegierung für wechselnde aggressive Medien

Allzweckwaffe im Kampf gegen die Korrosion

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Die chemische Industrie gerät heute in zunehmendem Maße unter Druck: Sie muss mit ihren Anlagen in immer kürzeren Intervallen verschiedene chemische Prozesse mit unterschiedlichen Medien auch im Wechsel mit kleineren und größeren Losgrößen betreiben. Dies führt zu erhöhten Anforderungen an das vielseitige Einsatzspektrum der Werkstoffe, aus denen eben diese Anlagen gebaut sind. Mit dem Hybridwerkstoff Hastelloy Hybrid-BC1 alloy begegnet Haynes International diesen Anforderungen wirksam.

Korrosionsschäden sind eine ernst zu nehmende wirtschaftliche Kenngröße. Zersetzende chemische Prozesse bedrohen Stahlkonstruktionen wie in Brücken oder Tragwerken und sind ein kostenintensives Problem in Industrieanlagen, Kraftwerken oder Rohrleitungen, um nur einige Beispiele zu nennen. Die World Corrosion Organization (WCO) schätzt die wirtschaftlichen Schäden durch Korrosion auf weltweit 2,2 Billionen US-Dollar pro Jahr.

Nun gibt es durchaus Werkstoffe, die der fortschreitenden Korrosion Widerstand entgegensetzen und mit dem Adjektiv „korrosionsbeständig“ geadelt werden. Klassische Edelstähle beispielsweise leisten in Sachen Korrosionsschutz solide Basisarbeit. Bei aggressiven Medien, wie etwa anorganischen Säuren oder bei chloridhaltigen Umgebungen, stoßen Edelstähle allerdings schnell an ihre Grenzen. Das Erreichen dieser Grenze der Belastbarkeit äußert sich dann in der Anfälligkeit der Stähle für Spannungsrisskorrosion, Lochfraß und Spaltkorrosion. Besser schlägt sich da schon Nickel: Reines Nickel ist üblicherweise das Material der Wahl für den Einsatz bei natrium- und kaliumhydroxidreichen Medien (den sogenannten ätzenden Chemikalien).
Zirkonium- und Titanlegierungen wiederum liegen im gleichen Leistungsbereich wie die korrosionsbeständigen Nickelbasislegierungen. Allerdings haben diese sogenannten reaktiven Metalllegierungen verschiedene sehr spezielle Einsatzfelder und sind intolerant gegenüber bestimmten ionischen Arten wie beispielsweise Fluoriden, sodass sie hier nicht weiter behandelt werden.
Damit bleiben die Nickelbasislegierungen als die „breitenwirksamsten“ Materialien, die den meisten Formen der Korrosion widerstehen. Sie sind extrem vielfältig und besitzen Widerstandsfähigkeit sowohl gegenüber oxidierenden als auch reduzierenden Säuren, Alkalien, und minimieren die oben genannten Probleme wie Spannungsrisskorrosion, Lochfraß und Spaltkorrosion. Hinsichtlich der Herstellung industrieller Komponenten sind Nickelbasislegierungen zudem leicht zu verarbeiten, da sie sehr biegsam, formbar und auch schweißbar sind.
Jedem Medium seine Legierung?
Schwefelsäure kann beispielsweise sehr aggressiv, sowohl reduzierend als auch oxidierend auftreten. Hier kommen Nickellegierungen wie beispielsweise die B- und C- Typen der Hastelloy-Serie von Haynes International zum Einsatz. Das in Kokomo, Indiana, ansässige Unternehmen ist weltweit führender Entwickler und Hersteller von Nickel- und Kobaltbasislegierungen und seit über 60 Jahren Vertragspartner der Zapp-Gruppe. Die B-Typen gehören zur Gruppe der Nickel-Molybdän-Legierungen, wohingegen unter der Bezeichnung C-Typen die Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen zusammengefasst werden.
Bedeutsam für den Korrosionsprozess sind allerdings nicht nur die Medien an sich, sondern auch die häufig nur schwer oder gar nicht zu beeinflussenden Verunreinigungen der verarbeiteten Stoffe. Trägt man diesem Umstand Rechnung, würde das in der Praxis bedeuten, dass dieselbe Säure bei unterschiedlichen Graden von Verunreinigung eigentlich verschiedene Werkstoffe verlangen würde, um die Korrosion in der verarbeitenden Anlage auf einem möglichst geringen Maß zu halten.
Am Beispiel von Tests mit 10%iger und 50%iger siedender Schwefelsäure lässt sich nachvollziehen, inwiefern die beiden Legierungsfamilien B und C für den jeweiligen Einzelfall – einmal reine und einmal verunreinigte Schwefelsäure – die jeweils optimale Lösung darstellen: So ist die Eigenschaft der Korrosionsbeständigkeit der Hastelloy-B-3-Legierung mit ca. 30 % Molybdän und etwa 1,5 % Chrom im Falle der reinen, reduzierenden Schwefelsäure in den beiden genannten Konzentrationen hervorragend; die Abtragsraten sind verschwindend gering. Sobald aber auch nur geringste Mengen an Eisenionen aus dem Prozess in die Säure eingetragen werden, verschlechtert sich der Wert unter Umständen dramatisch. Das umgekehrte Spiel lässt sich am Verlauf der Kurve für die 50%ige Schwefelsäure ablesen: Es zeigt sich, dass sich die Hastelloy-C-2000-Legierung, die unter anderem 23 % Chrom und 16 % Molybdän enthält, umso mehr bewährt, je mehr der Anteil an Eisenionen im kleineren Rahmen ansteigt.
Es ist das klassische „Entweder-oder“. Denn in der Praxis ist es tatsächlich häufig so, dass der Anteil an oxidierend wirkenden Verunreinigungen ungleichmäßig verläuft und den Charakter der Säure von reduzierend zu oxidierend verändert oder umgekehrt. Vor dem gleichen Problem stehen die Anlagenbetreiber übrigens auch, wenn in schneller Folge wechselnde Medien mit jeweils gegensätzlichen Charakteren verarbeitet werden sollen. Denn neue Verfahren und Produkteigenschaften stellen immer neue Ansprüche an die Materialgüte für den Anlagenbau. Damit der Anlagenbetrieb nicht nur in der chemischen Prozessindustrie werterhaltend und zugleich wirtschaftlich möglich ist, wäre es also wünschenswert, einen Werkstoff zu haben, der mit dem Charakterwechsel der Medien auch dann noch spielend fertig wird, wenn der klassische B- oder C-Werkstoff allein nicht mehr zurechtkommt und die Schäden durch die Korrosion dennoch auf ein Minimum reduziert. Und tatsächlich gibt es einen Werkstoff, der beiden Anforderungen signifikant besser gerecht wird. Die Lösung liegt hier im Einsatz eines Materials, das das Beste aus beiden Welten in sich vereint – ein Hybridwerkstoff also.
Hybride Lösung
In der Technik versteht man unter Hybrid im Allgemeinen ein System, bei dem zwei Technologien miteinander kombiniert werden. Das Wort Hybrid kommt ursprünglich aus dem Griechischen und bedeutet „gemischt, von zweierlei Herkunft“. Die vorangestellte Bezeichnung Hybrid- betont ein aus unterschiedlichen Arten oder Prozessen zusammengesetztes Ganzes. Die Besonderheit liegt darin, dass die zusammengebrachten Elemente für sich schon Lösungen darstellen, wie die im Beispiel erwähnten Werkstoffe für eine bestimmte Gruppe von Medien ja auch, durch das Zusammenbringen aber neue, erwünschte Eigenschaften entstehen können – hier die Möglichkeit, sowohl reduzierende als auch oxidierende Materialien unter Hochtemperaturbedingungen in ein und derselben Anlage zu verarbeiten.
Der Hybridwerkstoff – aus den oben dargelegten Gründen eine Nickelbasislegierung – kommt ebenfalls von Haynes. Die Neuentwicklung Hastelloy Hybrid-BC1 alloy wurde für genau jene oben dargestellte Marktnische konzipiert, für die es bislang tatsächlich keine wirkliche Problemlösung gab.
Das Beste aus zwei Welten
Ein weiteres Beispiel für den Charakterwechsel ein und desselben Mediums ist eine Testreihe mit Salzsäure. In Bild 3 skaliert die x-Achse die Korrosionsabtragsrate in mm/Jahr für eine stark reduzierend wirkende 2,5%ige Salzsäure (HCl) bei +121 °C. Die y-Achse steht in gleicher Weise für HCl mit denselben Parametern mit einem Unterschied: Durch Spülung mit Sauerstoff anstelle von Stickstoff wirkt sie hier stark oxidierend auf den metallischen Werkstoff. Dieser darf in der chemietechnischen Anlage, in der er eingesetzt ist, keine Ausfälle verursachen. Der Hastelloy Hybrid-BC1 alloy (roter Punkt im Diagramm) vereinigt hier in einem guten Kompromiss beides, die oben beschriebenen Stärken der B- und der C-Familien. Das Ausfallrisiko der beiden klassischen Werkstofffamilien kann damit in sehr vielen Fällen erheblich reduziert werden.

Reinhart Baden
Technical Customer Service,Specialty Materials,Zapp Materials Engineering
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