FA 05 Aus einem Guss

Hochwertige Werkstoffe gewinnen bei der Fertigung von Armaturen an Bedeutung. Über die Wahl der Fertigungsmethode – Gießen oder Schmieden – entscheiden Kosten und Anwendung

Lautlos verrichten die Armaturen ihre Arbeit – sie regeln zuverlässig den Fluss der unterschiedlichsten Medien, sperren sie ab oder sorgen für die Sicherheit der Umwelt während eines Förderprozesses. Bis es hierzu kommt, muss die Herstellung zunächst einige Schritte erfolgreich durchlaufen. Sie reichen von der Entwicklung und Konzipierung, über die Auswahl des passenden Werkstoffes, den Gießprozess, die mechanische Fertigung und das Schweißen bis hin zur Montage.

Bei der Entwicklung der Armatur gilt es unter anderem, den richtigen Werkstoff zu wählen. Er ist entscheidend dafür, ob das Ventil den Einsatzbedingungen auch bei schwierigen Medien und Umgebungen bestehen kann. Was also muss bei der Konzeption der Anlage unbedingt bedacht werden?

Entscheidend ist, dass die Werkstoffe der Armaturen – sei es für Gehäuse, Dichtungen oder Magnete – passend zu den unterschiedlichen Anwendungsbereichen sorgfältig ausgewählt werden, erläutert die GSR Ventiltechnik. „Maßgebend für die richtige Werkstoffauswahl sind das Wissen über die Konzentration, Temperatur und den Grad der Verunreinigung des Fluids“, erklärt das Unternehmen Buschjost. Weitere Kriterien seien der Betriebsdruck und der maximale Volumenstrom. Ebenso wie hohe Temperaturen seien auch hohe Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten bei der Werkstoffauswahl zu beachten. In der Chemie und Prozesstechnik kommt noch die Korrosionsbeständigkeit hinzu.

Werkstoffwahl je nach Anwendung

Dabei kann die Wahl auf unterschiedlichste Materialien fallen, ein kurzer Überblick: Als metallischer Werkstoff kommt für Gehäuse und Innenteile etwa Aluminium in Frage – insbesondere für neutrale Medien. Für diese Medien eignet sich unter anderem auch Grauguss, Sphäroguss und Stahlguss. Stahlguss wird außerdem bei erhöhten Temperaturen verwendet. Rotguss kommt bei leicht aggressivem Wasser oder Dampf und bei Seewasser zum Einsatz. Bestimmte Edelstahlsorten widerstehen sehr gut aggressiven Medien. Als besonders resistent, allerdings auch kostspieliger gelten Duplex- und Titanwerkstoffe.

Je Branche und Anwendung unterscheidet sich die Werkstoffauswahl, betont auch die Klaus Union: Mike Blasberg, Bereichsleiter Armaturen International, nennt Beispiele. „Im Kraftwerksbereich werden oft Werkstoffe speziell für hohe Drücke und Temperaturen verwendet. Bei chemischen und petrochemischen Anwendungen sind das oft austinitische Werkstoffe sowie für Wasser und Abwasser die Applikationen Grauguss/Sphäroguss mit einer Beschichtung aus EKB.“

Metallische Werkstoffe
In der Kernkraft steht die hohe Qualitätsanforderung im Vordergrund. „In Wasser-Dampf-Kreisläufen werden meist ferritische Qualitäten eingesetzt, im Primärkreis eher austenitische 18/8 Stähle“, erläutert Jürgen Pick, Sales Manager Sempell und Director Product Management Nuclear Valves Tyco Global Power. Die maximalen Temperaturen in Kernkraftwerken lägen bei 350 ̊C. „In modernen Kohlekraftwerken sehen wir hingegen Temperaturen von bis zu 620 ̊C, was martensitische Werkstoffe erfordert, zum Beispiel F91 oder F92.“ Dampftemperaturen von bis zu 720 ̊C hingegen erforderten Nickel-Basiswerkstoffe. In Versuchsanlagen werde derzeit der Werkstoff Alloy 617 getestet. „In der Lebensmittelindustrie kommen ebenfalls korrosionsbeständige Legierungen zum Einsatz.“ Die Einschätzungen von Pick beziehen sich auf die Druck tragenden Teile wie Gehäuse, Deckel und Flansche.

Hochwertige Werkstoffe scheinen zunehmend wichtiger zu werden. „Weil die Kraftwerke der Zukunft mit immer höheren Temperaturen und Drücken arbeiten, wird vor allem die Anforderung an die Temperaturfestigkeit der Werkstoffe weiter steigen“, prognostiziert Pressereferent Christoph Pauly von der KSB. Aber nicht nur hier steigen die Erwartungen. Auch im Pipelinebau und seinen vor- und zwischengelagerten Anlagen wird der Druck im wahrsten Sinne des Wortes steigen, um die Transportleistung zu erhöhen. Außerdem sind Anlagenkomponenten im Offshore-Bereich bei der immer tiefer gehenden Förderung von Gas und Öl extrem gefordert.

Wachsende Nachfrage nach Edelstahl

Das setzte etwa A+R Armaturen bereits um. Für ein chinesisches Steinkohlechemiewerk wurden dessen metallisch dichtende Hochleistungskugelhähne von 2“ bis 12“, ANSI 600 aus Duplex-Werkstoffen geordert.

Auch Metso nimmt Edelstahl verstärkt in den Fokus. In dem im vergangenen Jahr eröffneten Valve Technology Center in Helsinki wird die neue Edelstahl-Sicherheitsventil-Serie entworfen und hergestellt. „Unser Interesse an Edelstahl-Teilen stieg aufgrund der schnell wachsenden Nachfrage nach Instrumenten im Öl- und Gasgeschäft, wo Geräte aus nichtrostendem Stahl de facto Standard sind“, sagt Sami Nousianen, Manager des Metso Produktcenters, Bereich intelligente Produkte und Aktoren. Bestimmt sind die Ventile für anspruchsvolle Offshore-Anwendungen. Hierfür fertigt das finnische Unternehmen etwa einen Stellungsregler mit einer explosionsfesten Edelstahl-Konstruktion für korrosive Umgebungen.

Eine erfolgreiche Verbindung gehen Armaturen und Edelstahl auch bei der Klaus Union ein. Denn der rostfreie Edelstahl überzeugt mit seiner Beständigkeit gegenüber hohen und tiefen Temperaturen, seine glatte und harte Oberfläche bietet Bakterien und Pilzen auch bei jahrzehntelangem Gebrauch keine Haftung und er lässt sich problemlos reinigen.

Kunststoffe und Keramik
Für die Klaus Union besitzt Edelstahl daher eine hohe Wichtigkeit: „Er ist der am häufigsten eingesetzte Werkstoff“, erklärt Mike Blasberg, Bereichsleiter Armaturen International. Neben der Widerstandsfähigkeit besitze er „eine gute Verfügbarkeit.“ Und die Erfolgsgeschichte ist noch nicht zu Ende geschrieben. „Bei den Anwendungsbereichen gibt es weiterhin noch Potenzial nach oben“, so Blasberg weiter.

Konkurrent der metallischen Werkstoffe könnten etwa beim Gehäuse einige Kunststoffe oder Keramik werden. Sie trotzen wässrigen Lösungen von Säuren, Laugen und Salzen bzw. aggressiven Medien. „Kunststoffe finden überall dort Anerkennung, wo niedrige Temperaturen, unterhalb 80 ̊C, vorliegen“, erläutert Jürgen Pick, Sales Manager Sempell und Director Product Management Nuclear Valves Tyco Global Power. Dies sei in der Abwassertechnik sowie einigen industriellen Anwendungen der Fall.

Was die Zukunft bringen wird, lässt sich nur vermuten. „Der Anteil von Edelstahl könnte im Vergleich zu weiteren Werkstoffen, also zum Beispiel auch Kunststoffen, zurückgehen, wenn die Alternativwerkstoffe erfolgreich weiterentwickelt würden. Außerdem könnten verstärkt Beschichtungsverfahren Alternativlösungen zu Edelstählen werden“, mutmaßt Dr. Thomas Herbers, Technical Director bei der Klaus Union.

Keramiken hingegen „stecken noch in den Anfängen“, sagt Jürgen Pick von Sempell. „Es sind durchaus Keramiken auf dem Markt, die eine hohe Temperaturverträglichkeit aufweisen, in Kombination mit einer ausgezeichneten Schlagfestigkeit.“

Gießen oder schmieden?
Nach der Auswahl des Werkstoffes muss dieser in Form gebracht werden. Üblich bei der Herstellung von Armaturen bzw. Armaturenkomponenten sind das Gießen und das Schmieden.
Gussarbeiten, egal welcher Bauart, „sind kostengünstiger herzustellen als solche, die aus Schmiedestahl gefertigt werden“, unterstreicht Pick. Gussteile erforderten Modelle, die weitestgehend der endgültigen Form entsprächen. „Bei großen Stückzahlen schlagen die Modellkosten kaum zu Buche; die mechanische Bearbeitung ist minimiert und erfolgt lediglich an Schraubverbindungen, Sitzen sowie Rohranschlüssen.“ Schmiedestahlteile würden in Gesenken oder Freiform geschmiedet. Pick: „Ersteres ähnelt durch seine Formgebung den Gussmodellen. Meistens sind Gesenkschmiedeteile nicht hohl, sondern wegen der schwierigen Schmiedeprozesse massiv ausgeführt.“

Fertigungs- oder Reparaturschweißungen seien, so Pick weiter, bei Gussteilen, speziell bei Gehäusen, als normal anzusehen. „Dies erzeugt unvorhersehbare Kosten während des Herstellungsprozesses, die bei Schmiedestahl fast immer vermieden werden.“ Allerdings werde die Wahl des Werkstoffes auch durch die Qualitätsanforderungen mit bestimmt. „So sind bei vielen kritischen Komponenten in der Kernenergie Schmiedestahlgehäuse vorgegeben.“

Gussarmaturen kostengünstiger
Unterm Strich wiesen Armaturen aus Guss einen Kostenvorteil auf, „allerdings auch ein größeres Fertigungsrisiko, bedingt durch Fertigungsschweißungen“, bilanziert Pick. Auch für die KSB AG kommen beide Verfahrensweisen zum Einsatz. „Aus Schmiedeteilen werden bei KSB vor allem Gehäuse von Armaturen, Pumpen sowie Wellen und Spindeln gefertigt“, sagt Pressereferent Christoph Pauly. „Vereinfacht kann man sagen, dass ab PN100 die Schmiedeteile in unseren Produkten deutlich zunehmen.“

Vor allem die Größe der Schmiedeteile habe in den vergangenen Jahren zugenommen. „Heute werden Teile, die man früher als aufwändige Gusskonstruktionen hergestellt hat, aus Sicherheitsgründen in Schmiedetechnik hergestellt“, so Pauly weiter. Auch wenn man hier deutlich mehr Aufwand bei der spanenden Bearbeitung habe.

Bei der Entscheidung pro oder kontra eigene Gießerei müssen die Armaturenhersteller Vor- und Nachteile abwägen. Wer eine Gießerei besitzt, ist flexibler und kann mehr experimentieren: Der Armaturenhersteller ist nicht abhängig vom festgelegten Gießplan mit verschiedensten Kunden einer Fremdgießerei. Will heißen: Ein eigener Auftrag, der dringlicher ist, wird einfach vorgezogen.

Pro und contra eigene Gießerei
Auf eigene Gusskapazitäten setzt beispielsweise die KSB. Und das weltweit in großem Stil. Die KSB-Gruppe betreibt Gießereien in den USA, Mexiko, Deutschland, Brasilien, Indonesien, Pakistan, Indien und China. „In diesen werden mehr als 40 verschiedene Gusswerkstoffe verarbeitet, vom Grauguss bis zu hochlegiertem Stahl- oder Hartguss“, erklärt der Konzern. Entsprechend groß ist der Produktionsausstoß. Jährlich verlassen mehr als 10.000 Tonnen Gussteile die KSB-Gießereien, als Komponenten für die verschiedensten Armaturen und Pumpen sowie ähnliche Produkte konzernfremder Kunden.

Sempell kauft alle Halbzeuge oder Fertigteile wie etwa Dichtungen, Stellantriebe von spezialisierten Herstellern ein. „Diese Hersteller haben sich auf ihr Kernprodukt spezialisiert und sind stets gute Partner, die einen Armaturenhersteller bei besonderen Herausforderungen beraten können“, betont Jürgen Pick von Sempell. Die Metallurgie sei ein so spezielles Gebiet, „dass Verarbeiter wie Sempell bei Detailfragen besser einen Spezialisten einschalten. Auch die zerstörende Erprobung von Material wird immer eingekauft.“

Eigenversorgung wird optimiert
Aus Sicht von Pick sei es durchaus sinnvoll, eine eigene Gießerei oder Schmiede zu unterhalten. „So hat sich Tyco, zu dem Sempell gehört, entschlossen, eine Gießerei zu übernehmen, um so alle Unternehmen im Konzern mit Gussteilen zu versorgen.“ Neben einer Optimierung der Eigenversorgung „hat dies natürlich auch kostenmäßige Vorteile.“
Aus zum Teil nachvollziehbaren Gründen verzichten einige Armaturenhersteller auf eigene Gießereien. Ist die Anlage nicht ausgelastet, entstehen Defizite, sofern man keinen Erfolg hat, anderen Herstellern seine Gussdienste anzubieten. Auch hängt die Entscheidung von der Unternehmensgröße ab. „Bei uns lohnt sich die eigene Fertigung einfach nicht“, erklärt Dipl.-Ingenieur Christian Beer von „MIT“. Kein Problem für den Zulieferer für Systemlösungen, Baugruppen und Sonderarmaturen in der Prozesstechnik: „Wir arbeiten mit verschiedenen Lieferanten eng zusammen, um trotzdem den Ansprüchen unserer Kunden gerecht zu werden.“ Was sich bewährt hat. Die Zusammenarbeit mit Zulieferern habe sich nicht als Nachteil erwiesen.

Produktionsprozess im Wandel
Im Wandel befindet sich der generelle Produktionsprozess – ein Blick in die Zukunft. „Es gibt immer noch das Problem, dass die spezifische Produktionsanlage mit einem enormen Aufwand aufgebaut und eingerichtet werden muss, bis sie dann optimalen Anforderungen genügt“, bedauert Dr. Peter Post, Leiter von Corporate Research and Programme Strategy bei Festo. „Wenn sich etwas am Produkt verändert, muss man Teile der Anlage neu konzipieren und umbauen.“

Eine Optimierung wäre es aus Sicht von Post, wenn zukünftig Anlagenteile miteinander kommunizieren könnten. „Es werden Komponenten in Produktionsanlagen integriert, die sich auf intelligente Art und Weise selber vernetzen, mit einem Minimalaufwand selbst konfigurieren und den unterschiedlichen Anforderungen an Fertigungsaufträge auf selbststeuernde Weise gerecht werden. Dadurch bekommen wir maximale Flexibilität.“
Neue Entwicklungen sollten verheißen, so Post, „dass Aufgaben, die heute noch der zentrale Leitrechner innehat, in Zukunft von der Komponente übernommen werden.“ Ein Wandel, von dem auch die Armaturenhersteller profitieren dürften.

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