Höherfestes Gusseisen;Branchenspezifische Werkstoffe entwickelt entlang der Auslegung

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde m it Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reakt orsicherheit

unter dem Förderkennzeichen 0327593 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentli chung liegt beim Autor.

P. Mikoleizik

SiWind ® - Höherfestes Gusseisen mit passender Auslegung

Inhalt

• Unternehmensvorstellung Siempelkamp Giesserei GmbH

• Bauteil und Projektvorstellung (MEGAWind)

• Richtlinien in der Windenergie

• Erreichte Zertifizierung und Kennwertvergleich:

- Werkstoffcharakterisierung

- Statische Kennwerte

- Lebensdauer Kennwerte

- Bruchmechanik Kennwerte

• Bedeutung für die SGK und andere

• Nutzen für den Konstrukteur

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Maschinen- und Anlagenbau:Planung und Errichtung kompletter Werke für die Holzstoffindustrie, Metallum-formung und die Gummiindustrie.

Gusstechnik:Herstellung handgeformter Großgussteile aus Gusseisen mit Kugelgrafit von 3 t bis 320 t Stückgewicht.

Nukleartechnik:Produkte und Serviceleistungen für kerntechnische Anlagen.

* inkl. 107 Azubis

Siempelkamp Unternehmensbereiche Siempelkamp-Gruppe 2013Auftragseingang: 588,9 Mio. €Umsatz: 718,4 Mio. €Mitarbeiter: 3.124*

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- Mehr als 100 Jahre Produktionserfahrung

- Rund 85.000 t Gusskapazität pro Jahr

- Produktion von 4000 verschiedenen Gussteilenpro Jahr

- Stückgewichte bis 320 t

- Optimale Materialauswahl

- Hoher Qualitätsstandard in der Produktion

- DIN EN ISO 9001 und DIN EN 14001

- Akkreditiertes Prüflabor

- 100% kundenorientiertes Unternehmen

Siempelkamp Giesserei

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MEGAWind

Bauteil und Projektvorstellung

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• Großgussteile in Windenergieanlagen aus duktilem Gusseisen (GJS)

- Maschinenträger: 47 t Gewicht

- Achszapfen: 37 t Gewicht

- Nabe: 32 t Gewicht

- 3 Adapter: á 13 t Gewicht

Bild: Enercon

MEGAWind

Bauteil und Projektvorstellung

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• Großgussteile in Windenergieanlagen aus duktilem Gusseisen (GJS)

- Maschinenträger: 48 t Gewicht

- Unterdeck: 12 t Gewicht

- Nabe: 37 t Gewicht

- Hohlwelle: 16 t Gewicht

Bild: AREVA Wind

SiWind ®

GL-Richtlinien in der Windenergie

GL Renewables Certification verfügt als einzige Zertifizierungsstelle über Berechnungsrichtlinien für die Windenergie:

• GL-Onshore Richtlinie 2003

• GL-Offshore Richtlinie 2005

• GL-Onshore Richtlinie 2010

• Weitere Regelwerke undBestimmungen des GL.

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SiWind ®

Demnach ist geregelt:

1) Statische Auslegung der Extremlastfälle und

2) Zyklische Auslegung für 20 Jahre Betriebszeit nach Miner-Regel modifiziert

3) Bruchmechanischer Sicherheitsnachweis im Einzelfall möglich

4) Höherfeste Werkstoffe(Rm > 400 MPa bzw. K v < 10 J) im Einzelfall und nur mit zusätzlichem bruchmechanischer Sicherheitsnachweis bzw. SRF ≥ 1,5 möglich (Stress Reserve Factor).

5) GJL ist für Strukturbauteile verboten .

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SiWind ®

Werkstoffcharakterisierung

• Der Werkstoff ist beim GL unter derBezeichnung

GJSF-SiNi30-5bzw. dem geschützten Handelsnamen

SiWind ®

zertifiziert.

• Der SiWind-Werkstoff ist ein ferritisches,duktiles, mischkristallverfestigtes Gusseisenund entspricht dem Siclas ® 500.

• Die neuen Werkstoffe konkurrieren mit dem bewährten EN-GJS-400-18-LT .

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SiWind ®

Statische Kennwerte

NameSiWind ®

GJSF-SiNi30-5

GJS-400-18-LT

(DIN EN 1563:2012)

Rm [MPa] * 410 (459) 340

Rp0,2 [MPa]* 330 (344) 220

A [%]* 10 (17) 10

* = Werte für Wandstärken von 60 bis 200 mm()= gemessene Kennwerte

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SiWind ®

Synthetische Wöhlerlinie nach GL

NameSiWind ®

GJSF-SiNi30-5

GJS-400-18-LT

(DIN EN 1563:2012)

Synthetische Werte für R=-1 entsprechend GL

σA, 97,5% [MPa]* 132 118

m1 10,56 10,75

m2 * 20,12 20,5

* = Werte für Wandstärken von 60 bis 200 mm

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SiWind ®

Experimentelle Wöhlerlinie nach (R=-1)

NameSiWind ®

GJSF-SiNi30-5

GJS-400-18-LT

(DIN EN 1563:2012)

Werte für experimentelle Wöhlerlinie (R=-1)

σA, 97,5% [MPa]* 135 Keine

m1 * 7,8 Keine

m2 * 44,9 Keine

* = Werte für Wandstärken von 60 bis 200 mm

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SiWind ®

Erreichte Zertifizierung und Kennwertvergleich

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10

100

1000

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08

Schwingspielzahl N

Sp

an

nu

ng

sam

pli

tud

e [

MP

a]

SiWind gemessen

(LBF)SiWind synthetisch

GJS-400-18U-LT

Knickpunkt

σCut

[MPa] k1

σAK97,7%[MPa] N

Kk

2

SiWind gemessen (LBF) 344 7,8 135 2.000.000 44,9

SiWind synthetisch 330 10,6 132 2.878.000 20,1

GJS-400-18U-LT 220 10,7 121 2.904.000 20,4

Wöhlerlinie R=-1

SiWind ®

Bruchmechanische Kennwerte

NameSiWind ®

GJSF-SiNi30-5GJS-400-18-LT(DIN EN 1563:2012)

Werte für statistische Bruchmechanik

KIC [MPa√m](-20°C) 32 82*

KIC [MPa√m] (RT) 46 80*

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* gemessen an besonderen Proben [G. Pusch 2008]

SiWind ®

Zyklische BM -Kennwerte

NameSiWind ®

GJSF-SiNi30-5

GJS-400-18-LT

(DIN EN 1563:2012)

Werte für zyklische Bruchmechanik (R=0,5)

∆Kth/ASTM [MPa√m] 5,7 5,5*

m [-] 5,4 4,3*

c [-] 2,4E-11 4,5E-10*

∆Kfc [MPa√m] 22 18*

Werte zyklische Bruchmechanik (R=-1)

∆Kth/ASTM [MPa√m] 18,0 14,3**

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* G. Pusch, 2008** Zambrano, 2011

SiWind ®

Zyklischen BM -Kennwerte

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SiWind ®

NASGRO-Gleichung

Die aufgeführten Werte sind vom GL für den SiWind ®-Werkstoff anerkannt.

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SiWind ®

Bedeutung für Siempelkampund andere

• NUR EN-GJS 400-18-LT bzw. EN-GJS 350-22-LT sind derzeit in der Windenergie für Strukturbauteileeinsetzbar!

• ALLE anderen Werkstoffe sind nicht ohne weitere Nachweise möglich, z.B. EN-GJS-500 bis EN-GJS-700, Siclas®, ADI, GJL.Das gilt auch für die mischkristallverfestigten Sorten.

SiWind ® ist der einzig höherfeste Werkstoff welcher „sofort“ beantragt werden kann!

(Synthetische und experimentelle Wöhlerlinie sowie Bruchmechanikkonzept und -kennwerte liegen vor)

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SiWind ®

Nutzen für den Konstrukteur

• +20% Rm und +50% R p0,2 - gesteigerte statische Kennwerte für den Extremlastnachweis

• Lebensdauernachweis entsprechend GL-Richtlinie mit +9% höherem Abknickpunkt (synthetisch)

• Bruchmechanische Auslegung mit anerkanntem Verfahren und Kennwerten sofort möglich

Beseitigung von bestehenden Engpässen z.B. Hotspots

Bis 15% Gewichtsvorteil bei Neukonstruktion (Einschätzung vonaerodyn)

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SiWind ®

Innovationspreis der IHK für Werkstoffentwicklung

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SiWind ®

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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