Aluminium kann als Aluminiumoxid in Stahl eingeschlossen werden

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Die Partikel aus Aluminiumoxid (Al2O3) werden in der Schmelze nach unten transportiert und lagern sich dort als Einschlüsse im Stahl ab.

Bei der Produktion von grossen Schmiedestücken wurde in den 1960er-Jahren Aluminium zugegeben. Dies diente der Bindung des Sauerstoffs in der Schmelze. In einem Schmiedering des Reaktordruckbehälters für das Kernkraftwerk Beznau 1 verblieben aus der Herstellung einige Aluminiumoxidreste im unteren Teil der Schmelze.

In der Schmiede Société des Forges et Ateliers du Creusot in Frankreich wurden in den 1960er-Jahren Ringe für Druckbehälter und andere Grossteile für Kernkraftwerke geschmiedet. Bei der Produktion haben die Mitarbeiter während des Giessens jeweils Aluminium in Pulverform zugegeben. Geringe Anteile an Sauerstoff, die aus der Umgebung aufgenommen werden, beeinträchtigen die Qualität des Stahles.

Mit dieser Methode wurde 1965 auch der Reaktordruckbehälter RDB des Kernkraftwerks Beznau 1 in der Schmiede Le Creusot gefertigt.

Produktion von grossen Schmiedestücken

In der Stahlschmelze sind häufig Gase wie beispielsweise Sauerstoff gelöst, welche die Qualität des Stahls negativ beeinflussen. Um diese sicher zu entfernen, wird heute beim Giessen von Stahl ein qualitativ hochwertiges Vakuum verwendet.

In den 1960er-Jahren wurde Aluminium während des Giessens von grossen Schmiedestücken in Pulverform zugegeben, um Gase wie beispielsweise Sauerstoff zu binden. Die Qualität des Vakuums konnte damals noch nicht so gut wie heute erzeugt und eingehalten werden, weshalb die Methode mit der Zugabe von Aluminium zur Anwendung kam,. Die Partikel aus Aluminiumoxid (Al2O3) werden  in der Schmelze nach unten transportiert und lagern sich dort als Einschlüsse im Stahl ab.

Einschluss von nichtmetallischen Elementen

Zu solchen nichtmetallischen Einschlüssen kann es beim Giessen jedes grossen Schmiedestückes kommen. Im Vergleich zu kleineren und dünneren Stahlstücken ist bei grossen Schmiedestücken die besondere Herausforderung, dass die Stahlwände aufgrund ihrer Wanddicke nicht überall gleich schnell abkühlen. Während der Produktion eines grossen Schmiedestückes kommt es deshalb aufgrund der ungleichmässigen Abkühlung zu sogenannten Segregationen.

Im oberen Teil findet eine positive Segregation statt, also einer Entmischung des Stahls. Dies bedeutet, dass die prozentuale Verteilung der chemischen Bestandteile von Stahl nicht mehr optimal ist. Beispielsweise kann es vorkommen, dass die Stahllegierung zu viel Kohlenstoff enthält.

Im unteren Teil eines grossen Schmiedestücks hingegen kommt es zu negativen Segregationen. Dies bedeutet, dass nichtmetallische Verbindungen wie beispielsweise Aluminiumoxid eingeschlossen werden können.

Endogene versus Exogene nichtmetallische Einschlüsse

Nichtmetallische Einschlüsse lassen sich in endogene (im Stahl selbst entstanden) oder exogene (von aussen in den Stahl gelangt) Einschlüsse unterteilen. Beim Aluminiumoxid handelt es sich um einen endogenen Einschluss.

  • Endogene Einschlüsse: Entstehen beim Giessen des Stahls. Man unterscheidet karbidische, oxidische oder sulfidische Einschlüsse.
  • Exogene Einschlüsse: Durch die hohen Temperaturen können sich bei der Erzeugung von Stahl Feuerfestmaterialien in der Stahlschmelze befinden. Da die Feuerfestmaterialien meist aus Aluminiumoxid mit Beimengungen weiterer Oxide (z.B. MgO, CaO, ZrO) bestehen, sind die bei der Abkühlung der Schmelze im Werkstoff entstehenden Einschlüsse ebenfalls Oxide.

Verunreinigter Stahl wird weggeschnitten

Bei der Herstellung eines grossen Schmiedestückes wird so viel weggeschnitten, dass nur der hochwertige Stahl übrigbleibt. Sowohl der obere Teil mit der positiven Segregation wie auch der untere Teil mit der negativen Segregation werden weggeschnitten. Beim Ring C des RDB im KKW Beznau 1 wurde wahrscheinlich zu wenig des mit Aluminiumoxid verunreinigten Stahls weggeschnitten, sodass im unteren Bereich des Rings einige Aluminiumoxidreste im Stahl übrig geblieben sind.

Problematik von nichtmetallischen Einschlüssen

Einschlüsse aus Aluminiumoxid – oder Korund – kann man sich vorstellen wie kleine Sandkörnchen, die keine Bindung zum Matrixmaterial haben und demzufolge in Mikroporen eingebettet sind. Dies wiederum könnte die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls negativ beeinflussen.

Aluminiumoxid, Wasserstoff und Kohlenstoff

Im Zusammenhang mit der Schmiede in Creusot sind mehrere Befunde aufgetaucht. Bei Aluminiumoxid, Kohlenstoffanreicherung und Wasserstoffflocken handelt es sich aber um unterschiedliche Phänomene, welche nicht verwechselt werden dürfen.

  • Aluminiumoxid: Beim Aluminiumoxid handelt es sich um nichtmetallische Einschlüsse im unteren Teil von grossen Schmiedestücken (negative Segregation).
  • Kohlenstoffanreicherung und Wasserstoffflocken: Zu hoher Kohlenstoff- oder Wasserstoffgehalt im Stahl kann im oberen Teil von grossen Schmiedestücken vorkommen. Dabei handelt es sich um eine Entmischung (positive Segregation). Dies bedeutet, dass die prozentualen Anteile der chemischen Bestandteile nicht mehr stimmt, also zu viel Kohlenstoff beziehungsweise Wasserstoff vorhanden ist.