Investigations on high-temperature corrosion of commercial materials and model alloys in simulated waste and biomass combustion environments

Schmitt, Markus; Spiegel, Michael

doi:32581

Investigations on high-temperature corrosion of commercial materials and model alloys in simulated waste and biomass combustion environments = Untersuchungen zur Hochtemperaturkorrosion von kommerziellen Werkstoffen und Modelllegierungen unter simulierten Müll- und Biomasse-Verbrennungsbedingungen

Schmitt, Markus (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Schmitt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangII, 166 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Spiegel, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47259
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229364/files/4725.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochtemperaturkorrosion (Genormte SW) ; Heißgaskorrosion (Genormte SW) ; Chloride (Genormte SW) ; Salzablagerung (Genormte SW) ; Müllverbrennung (Genormte SW) ; Ferritisch-martensitischer Stahl (Genormte SW) ; Eisenaluminide (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Aktive Oxidation (frei) ; Legierungselemente (frei) ; Modelllegierungen (frei) ; Biomasseverbrennung (frei) ; active oxidation (frei) ; alloying elements (frei) ; model alloys (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Motivation dieser Arbeit war es, kostengünstige und gleichzeitig korrosionsbeständige Legierungen als Alternativen zu kommerziellen Werkstoffen zu finden, die den Anforderungen in Müllverbrennungs- und Biomassekraftanlagen genügen. Als kommerzielle Werkstoffe wurden niedrig- und hochlegierte Stähle sowie eine Nickelbasislegierung untersucht. Die Modelllegierungen waren mit Nickel, Aluminium und Silizium modifizierte 9%Cr-Legierungen und binäre Eisen-Aluminium-Werkstoffe mit max. 40 at.% Al. In den Auslagerungsexperimenten wurden die Werkstoffe mit synthetischen Ablagerungen aus Chloriden und Sulfaten belegt und in N2-8%O2-15%H2O-0.2%HCl-0.02%SO2- bzw. N2-5%O2-22%H2O-13%CO2-0.02%HCl-Atmosphären in einem Temperaturbereich von 320°C bis 600°C korrodiert. Das Korrosionsverhalten wurde durch Untersuchungen des Materialverlusts, des kinetischen Verhaltens und des Aufbaus des Korrosionsprodukts bestimmt. Die Korrosion wurde bezüglich des Einflusses der Legierungselemente sowie der thermodynamisch treibenden Kraft hinsichtlich Aktivitäten und Gradienten in den Korrosionsmechanismen diskutiert. Die beiden wesentlichen Hochtemperaturkorrosionsmechanismen waren die chlorkatalysierte Aktive Oxidation und die in Gegenwart von Salzschmelzen auftretende Heißgaskorrosion, d.h. saure und basische Aufschlussreaktionen. Unter diesen Bedingungen zeigten kommerzielle Werkstoffe mit hohem Chrom- bzw. Cr/Ni-Gehalt vorwiegend einen sehr geringen Materialverlust. Im Vergleich zu kommerziellen 9%Cr-Stählen wiesen modifizierte 9%Cr-Werkstoffe mit Zusätzen von 5 gew.-% Nickel und jeweils 2,5 gew.-% Al und Si einen meist verbesserten Korrosionswiderstand auf. Auch ein hoher Aluminiumanteil von mind. 26 at.-% in Fe-Al-Werkstoffen erhöhte die Korrosionsbeständigkeit erheblich. Von Seiten der Hochtemperaturkorrosion unter Müll- bzw. Biomasseverbrennungs-Atmosphären und -Salzablagerungen konnte gezeigt werden, dass die Modelllegierungen bezüglich ihrer Korrosionsbeständigkeit unter den meisten experimentellen Bedingungen eine wirtschaftliche Alternative zu korrosionsbeständigen hochlegierten austenitischen Stählen und Nickelbasislegierungen darstellen können.

The motivation of this work was to find cost-effective and corrosion resistant alloys as alternatives to commercial materials, which meet the requirements in waste incineration and biomass combustion power plants. As commercial materials low- and high-alloyed steels and a Nickel-based alloy were investigated. The model alloys were 9%Cr-alloys modified with nickel, aluminium and silicon, and binary iron-aluminides with max. 40 at.% Al. In the exposure experiments, the materials were covered with synthetic deposits of chlorides and sulfates and corroded in N2-8%O2-15%H2O-0.2%HCl-0.02%SO2- and N2-5%O2-22%H2O-13%CO2-0.02%HCl-atmospheres, respectively, in a temperature range of 320°C to 600°C. The corrosion behaviour of the materials was determined concerning their mass loss, kinetics, and scale analysis. The degradation was discussed regarding the influence of the alloy composition, and the thermodynamic driving force in terms of activities and gradients in the governing corrosion mechanisms. The two main high-temperature corrosion mechanisms were the chlorinecatalysed ’Active Oxidation’ and in the presence of molten salt the ’Hot Corrosion’, i.e. acidic and basic fluxing. Under these conditions, the commercial materials with a high chromium or Cr/Ni-content showed most of the time a very low material loss. In comparison with commercial 9%Cr-steels, modified 9%Cr-alloys with additions of 5 wt.-% Ni, 2.5 wt.% Al and 2.5 wt.% Si, respectively, showed a predominantly improved corrosion resistance. Also, Fe-Al materials with an aluminium content of at least 26 at.-% showed a considerably increased corrosion resistance. With regard to high-temperature corrosion in waste incineration and biomass combustion atmospheres, respectively, and salt deposits it was demonstrated that under most experimental conditions the model alloys have shown an economical alternative to high-alloyed austenitic steels and nickel-based alloys with respect to their corrosion resistance.

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