212-12 Optimerad värmebehandling av stålgjutgods Lennart Sibeck
Box 233, 55 2 Jönköping Telefon 36-3 12 Telefax 36-16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se 212, Swerea SWECAST AB
Projekt nr Projekt namn 1831 Optimerad värmebehandling Status Intern Författare Datum Lennart Sibeck 212-11-19 Sammanfattning För att få rätt materialegenskaper i slutprodukten genomgår gjutna stålprodukter minst en och oftast flera värmebehandlingar. Detta är en mycket energikrävande process p.g.a. höga temperaturer och långa värmebehandlingstider. Syftet med projektet kan sammanfattas med energieffektivisering genom snabbare uppvärmning (test med oxyfuelbrännare) och kortare hålltider vid processtemperaturen. Projektet har genomförts med verifiering av hålltidens inverkan på materialegenskaper genom värmebehandling i labskala. Vidare har energimätningar i fullskala gjorts hos stålgjuteri med jämförelse av oxyfuelbrännare och konventionell airfuelbrännare. Projektet har verifierat att korta hålltider kan användas med bibehållna och ofta bättre materialegenskaper. Förslag lämnas på ändrad värmebehandlingspraxis med korta hålltider för olika gjutstål. Vid användning av oxyfuelbrännare kan energianvändningen ungefärligen halveras, dessutom med möjlighet till tidsbesparing och snabbare flöde vid värmebehandling. En effekt av projektet är också att energianvändningen vid enskilda värmebehandlingarna har kartlagts, något som tidigare har saknats hos stålgjuterierna. Detta gör det möjligt att sätta ett pris på åtgärder för energieffektivisering. Införs dessa effektiviseringsåtgärder beräknas den årliga energiminskningen för värmebehandlingen bli 2 4 MWh för ett mindre stålgjuteri och 4 85 MWh för ett större stålgjuteri. Projektets mål på minskad årlig energianvändning på 3 GWh vid projektslut motsvaras av att 5-7 stålgjuterier genomför de föreslagna åtgärderna med kortare hålltider och installation av oxyfuelbrännare.
Summary To reach desired material properties of the final product, cast steel products undergoes at least one and usually several heat treatments. This is a very energy intensive process due to high temperatures and long heating times. The project can be summarized with energy efficiency through faster heating (test of oxyfuel burners) and shorter holding times at the process temperature. The project was performed with the verification of the impact of holding time on the material properties. This was done by heat treatment and testing in lab scale. Furthermore, energy measurements were done in full scale at a steel foundry by comparison of oxyfuel burners and conventional airfuel burners. The project has verified that short holding times can be used with maintained and often improved material properties. Suggestions are given on a modified heat treatment practice with short holding times for different cast steels. Using oxyfuel burners can approximately halve the energy use, also with the possibility of saving time and giving a faster flow of heat treatment. One effect of the project is that the energy consumption of individual heat treatments have been mapped, which has previously been lacking in steel foundries. This makes it possible to put a price on energy efficiency measures. The annual energy reduction of heat treatments, when introducing these efficiency measures have been calculated. These results in reductions of 2 to 4 MWh for a small steel foundry and 4 to 85 MWh for a major steel foundry. The project aim was to reduce the annual energy use of 3 GWh at the end of the project. This corresponds to 5-7 steel foundries implementing the proposed measures with shorter holding times and installation of oxyfuel burners.
Innehållsförteckning 1 TILLKOMST... 1 2 INLEDNING... 1 3 SYFTE OCH MÅL... 1 3.1 PROJEKTMÅL... 2 4 GENOMFÖRANDE AV PROJEKTET... 3 5 BAKGRUND VÄRMEBEHANDLING... 3 5.1 ALLMÄNT OM VÄRMEBEHANDLING. PRAXIS IDAG... 3 5.1.1 Härdning... 5 5.1.2 Anlöpning... 6 5.1.3 Normalisering... 7 5.1.4 Släckglödgning... 7 5.2 TUMREGELN VID VÄRMEBEHANDLING... 7 5.3 VÄRMEBEHANDLING I PRAKTIKEN: UPPVÄRMNINGSSÄTT... 7 6 UNDERSÖKNINGAR... 8 6.1 VÄRMEBEHANDLINGSFÖRSÖK I LABSKALA; UTFÖRANDE... 8 6.1.1 Material... 8 6.1.2 Värmebehandlingsutförande... 9 6.1.3 Provning... 1 6.2 LABFÖRSÖK, RESULTAT... 1 6.2.1 Hållfasthetsprovning... 1 6.2.2 Mikrostruktur... 16 7 OXYFUELTEKNIK... 16 8 ENERGIMÄTNINGAR HOS STÅLGJUTERI... 18 8.1 INLEDNING... 18 8.2 BESKRIVNING AV OXYFUELFÖRSÖK... 18 8.3 RESULTAT AV FÖRSÖK MED OXYFUELBRÄNNARE... 21 8.4 BESKRIVNING OCH RESULTAT MED AIRFUELBRÄNNARE... 27 8.5 JÄMFÖRELSE OXYFUEL AIRFUEL... 32 8.5.1 Jämförelse tidigare försök med oxyfuel airfuel... 36 9 ENERGIBESPARING... 37 9.1 BERÄKNING AV ENERGIBESPARING - OXYFUELBRÄNNARE... 37 9.2 BERÄKNING AV ENERGIBESPARING KORTARE HÅLLTID... 37 9.3 UPPSKATTNING AV MÖJLIG MINSKNING AV ENERGIANVÄNDNING... 39 1 VÄRMEBEHANDLINGSREKOMMENDATIONER... 4 11 SLUTSATSER... 4 12 REFERENSER... 4
Bilageförteckning Bilaga 1 Bilaga 2 Bilaga 3 Värmebehandlingsförsök i labskala hos Swerea SWECAST Värmebehandlingsförsök med oxyfuelbrännare hos SSG Uppföljning ordinarie värmebehandling med airfuelbrännare hos SSG Antal sidor 6 1 7
1 Tillkomst Denna rapport har tagits fram inom Swerea SWECAST:s forskningsprogram för energieffektiv gjutning 29-213. Rapporten utgör slutrapport för projektet Optimerad värmebehandling av stålgjutgods och är sammanställd av Lennart Sibeck, Swerea SWECAST AB. Projektet har delfinansierats av Energimyndigheten med 1 2 kr vilket utgör 38 % av den totala budgeten. Resterande 62 %, motsvarande 2 4 kr, har finansierats av de medverkande företagen. Från stålgjuterierna deltog Per Ytterell / Smålands Stålgjuteri AB, Erik Stark / Österby Gjuteri AB, Thomas Eriksson Jon Laggar / Kohlswa Gjuteri AB och Olle Hansson / Laholms Stål AB. Från gasleverantörerna deltog Jonas Adolfi / AGA Gas AB och Lee Björkman / Preem Gas AB. Ett tack riktas till de deltagande företagen för deras bidrag i projektet och till denna rapport. 2 Inledning Ett tiotal svenska stålgjuterier producerade under 211 tillsammans 22 5 ton stålgjutgods. För att få rätt materialegenskaper i den slutliga ståldetaljen genomgår gjutna stålprodukter minst en och oftast flera värmebehandlingar. Detta är en mycket energikrävande process p.g.a. höga temperaturer och långa värmebehandlingstider. Det finns därför stora möjligheter till energieffektivisering genom att optimera tiden för gjutstålet i värmebehandlingsugnen. Effektiviseringen medför indirekt en positiv miljöpåverkan p.g.a. mindre utsläpp av bl.a. växthusgaser. I ett tidigare utfört projekt inom Swerea SWECAST ( Energieffektiv värmebehandling av stål Henrik Svensson, rapport 8111) gjordes försök med olika tekniker/metoder för att värmebehandla stålgjutgods. Det visade sig att en av metoderna (oxyfuel) medför stora möjligheter till energieffektivisering. Oxyfueltekniken ger möjlighet till en mycket snabb uppvärmningshastighet, till aktuell hålltemperatur och den totala värmebehandlingstiden för olika stållegeringar kan därmed minskas. I det föregående projektet studerades även möjligheten att förkorta värmebehandlingstiden av stålgjutgods i värmebehandlingsugnen. Många svenska gjuterier använder en gammal tumregel vid bestämmande av värmebehandlingstiden för stålgjutgods. De tidigare undersökningarna visade att denna tumregel sannolikt kan ändras, så att de mycket energi- och tidskrävande långa hålltiderna vid temperatur kan förkortas. Praxis varierar mellan gjuterierna, men för de flesta kan detta innebära stora tidsvinster, kostnadsbesparingar och energi-effektiviseringar med bibehållna materialegenskaper. Ytterligare försök behövdes därför för att garantera att det värmebehandlade materialets egenskaper ej försämras p.g.a. den kortare tiden i ugnen. 3 Syfte och mål Syftet med projektet kan sammanfattas med energieffektivisering genom snabbare uppvärmning (test med oxyfuelbrännare) och kortare hålltider (verifiering genom materialundersökningar) vilket illustreras med temperatur-tid-kurvorna i figur 1. 1
Uppvärmning Hålltid Processtemp Temp Tid Figur 1: Projekt syfte är att korta uppvärmningstider och hålltider vid temperatur (röd kurva) jämfört med dagens praxis (svart kurva) hos många gjuterier. Att modifiera befintlig, eller investera i nyare teknik är förenat med en initialkostnad för gjuterier. Eftersom nyare förbränningsutrustning resulterar i effektivare produktion och lägre energikostnader, så kan återbetalningstiden för nyinvesteringen vid rätt förutsättningar bli relativt kort. Företrädesvis större företag med högre produktionsvolymer borde se denna teknik som högintressant, men även de mindre gjuterierna kan ha ett ekonomiskt utbyte av en förändring i värmebehandlingsutrustning och -rutiner. Införande av kortare hålltider kräver däremot inga investeringar men kräver acceptans både internt och från kunder. Vid värmebehandling får stålgjutgodset sina slutliga egenskaper och val av temperaturer och tider är kritiska för resultatet. Detta ställer stora krav på verifierande undersökningar av att stålgjutgodsets egenskaper inte påverkas av ändrad praxis. Trots att möjligheterna till energibesparing är stora så kan det för ett enskilt stålgjuteri vara svårt att självt driva dessa utvecklingsfrågor. En gemensam teknikinsats från gjuterier, institut och värmebehandlingsleverantörer är därför motiverad. Värmebehandlingen av gjutna ståldetaljer är ofta flaskhalsen i produktionsledet. Därför är kortare värmebehandlingstider i ugnarna av stort produktionstekniskt intresse för gjuterierna i Sverige, vilket skulle göra dem än mer konkurrenskraftiga på den internationella marknaden. 3.1 Projektmål Det slutliga målet är att effektivisera värmebehandlingen av stålgjutgods och därmed minska energianvändningen, minska utsläppen av växthusgaser och förkorta produktionstiden av detaljer i gjutstål. Sammantaget ger detta positiva effekter på miljön samt även starkare och mer konkurrenskraftiga stålgjuterier i Sverige p.g.a. ökad lönsamhet. Ett medelstort svenskt stålgjuteri förbrukar ca 3 kg gasol (propan), vilket motsvarar ca 3,9 GWh. (Denna gasol används dock inte enbart för värmebehandling utan även till annat; som förvärmning av skänkar, kärn- och formtillverkning mm.) Om något eller några av gjuterierna kan byta till oxyfuel, vilket ger en mer energieffektiv förbränning, kommer energianvändningen per ton gjutstål att minska markant. Om även värmebehandlingstiden kan förkortas kommer detta tillsammans att påverka energianvändningen och utsläppen stort. Målet är att 1 år efter projektslut effektivisera värmebehandlingen av stålgjutgods och därmed minska energianvändningen och förkorta 2
produktionstiden av detaljer i gjutstål. Vid projektslut är målet att 3, GWh/år har uppnåtts och efter fem år 5 GWh/år. Dessa förändringar kommer att ske stegvis, så att målen år 212 och 217 förhoppningsvis kan uppfyllas. Eventuella hot mot att målen uppfylls kan t.ex. vara om försöken inte ger bibehållna materialegenskaper eller att gjuterier inte inser besparingspotentialen p.g.a. initiala investerings- och förändringskostnader. 4 Genomförande av projektet Ursprungligen planerades för ett projekt i tre delar med 1) insamling av energianvändning vid värmebehandling hos stålgjuterier, 2) verifiering av materialegenskaper vid olika hålltider och 3) försök med oxyfuelbrännare. Uppföljning av energianvändning vid värmebehandling hos stålgjuterierna visade sig vara nära nog obefintlig; vanligen görs inte någon särredovisning av hur gasolen används. Planeringen ändrades så att energiuppföljning skulle göras hos det stålgjuteri där oxyfuelbrännare testades. Projektet genomfördes enligt följande: Litteraturöversikt och insamling av erfarenhet över inverkan av hålltiden vid värmebehandling Insamling av värmebehandlingsdata från gjuterier, standarder och handböcker Verifiering av hålltidens inverkan på materialegenskaper (i lab-skala) o Val av stållegeringar o Leverans av provmaterial från gjuterierna (kölprov) o Värmebehandlingsförsök hos Swerea SWECAST (SSC) o Hållfasthetsprovning och strukturundersökningar hos SSC o Utvärdering och förslag på optimala värmebehandlingsdata Värmebehandlingsförsök i fullskala med optimerade hålltider Mätning av energianvändning i fullskala vid olika typer av värmebehandlingar och hålltider med konventionella brännare (air-fuel) Mätning av energianvändning i fullskala vid olika typer av värmebehandlingar och hålltider med nya oxy-fuelbrännare Utvärdering och jämförelse av energianvändning med olika brännare och inverkan av hålltider Förslag till värmebehandlingspraxis Beräkning av möjlig minskning av energianvändning Mätning av energianvändning med olika brännare gjordes hos Smålands Stålgjuteri. Till skillnad från tidigare försök där man tillverkat speciella provkroppar så gjordes försök på löpande produktion, se diskussion i senare avsnitt. 5 Bakgrund värmebehandling 5.1 Allmänt om värmebehandling. Praxis idag Nästan allt stålgjutgods som produceras genomgår värmebehandling. Exempel på olika värmebehandlingar för några olika ståltyper ges i tabell 1. I enklaste fallet handlar det enbart om en enkel normalisering, men ofta görs en serie av 3
värmebehandlingar; t.ex. kan för ett konstruktionsstål göras både högtemperaturglödgning normalisering seghärdning. Värmebehandlingen ger stålet dess slutliga egenskaper och det är därför viktigt med noggrann kontroll av processen för att uppnå kraven på hållfasthet, seghet, korrosionsegenskaper, skärbarhet mm. Tabell 1: Sammanställning av förekommande värmebehandlingar för stålgjutgods Värmebehandling Temperatur Hålltid Material Högtemperaturglödgning ( gjutgodsglödgning ) 9 1 1 C Lång Normalisering 85-95 C Kort (lång) - - Allt stålgjutgods (utom austenitiskt och duplext rostfritt) Härdning 85-95 C Kort (lång) Seghärdningsstål, härdbara rostfria stål Anlöpning 55-65 C Medel (lång) - - Släckglödgning 15-115 C Kort (lång) Rostfritt: austenitiskt+ duplext Mjuk-/avspänningsväteglödgning 525-75 C Lång Vid behov Vad händer i stålet vid de olika värmebehandlingarna? Högtemperaturglödgning kan göras för att bryta ner den grova gjutstrukturen och få viss utjämning av legeringsämnen. Utförs vid hög temperatur och relativt lång tid; vid denna glödgning är stålet austenitiskt. Korntillväxt kan ske varför denna värmebehandling brukar följas av normalisering. Normalisering utförs för att göra ett grovkornigt material finkornigare, vilket förbättrar hållfasthet och främst seghet. Metoden används mest på olegerade och låglegerade stål. Vid normalisering austenitiseras stålet, oftast vid samma temperatur som används vid härdning, och hålls där kort tid (1-2 min) för att sedan luftsvalna. Härdning utförs för att höja hållfastheten eller öka slitstyrkan. Stålet värms till sin austenitiserings- eller härdtemperatur, hålls en viss tid och snabbkyls sedan i vatten eller olja. Stål med mycket god härdbarhet kan luftkylas. Vid austenitiseringstemperaturen omvandlas utgångsstrukturen snabbt till austenit, se diskussion i senare avsnitt. Vid överdrivet långa hålltider eller höga temperaturer kan korntillväxt ske. Anlöpning görs alltid av stål som härdats. Efter härdningen har stålet hög hårdhet och låg seghet. Genom anlöpning minskar hårdheten och segheten ökar. Även restspänningarna i stålet minskar vid anlöpning. Man kan skilja på lågtemperatur-anlöpning kring 2 C och högtemperaturanlöpning vid 55-65 C. För de flesta stål gäller att hårdheten minskar med ökande anlöpningstemperatur. Släckglödgning görs på austenitiska och duplexa rostfria stål. Denna görs för att lösa upp karbider och andra skadliga faser, t.ex. sigma-fas, som kan 4
ha bildats vid gjutningen eller under annat processteg. Värmning görs till hög temperatur med kort hålltid, varefter stålet släcks i vatten. Lågtemperaturglödgningar är mindre vanligt hos stålgjuterierna. Sk. mjukglödgning eller sfäroidiseringsglödgning görs för att minska hårdheten och få en struktur som är lätt att bearbeta. Avspänningsglödgning görs för att minimera spänningar, som kan ha orsakats av skärande bearbetning eller svetsning. Väteglödgning kan göras för att sänka vätehalten i stålet. Alla dessa glödgningar görs vid relativt låga temperaturer. 5.1.1 Härdning Under uppvärmningen till härdningstemperaturen har stålets yta till att börja med högre temperatur än dess centrum. I bl.a. Karlebos värmebehandlingshandbok [1] och en amerikansk studie på gjutgods [2] redovisas undersökningar med inborrade termoelement. Dessa mätningar visar att temperaturskillnaden mellan yta och centrum minskar ju mer ståldetaljens temperatur närmar sig sluttemperaturen och i praktiken kan man räkna med att stålet är genomvarmt när ytan på godset har nått ugnens temperatur, se figur 2. Detta beror på att värmeledningsförmågan ökar med stigande temperatur. Undantaget är hörn och kanter som kan värmas fortare än resten av godset. Yttemperaturen mitt på en ståldetalj, en bit från ändytor och hörn, ligger nära temperaturen i centrum och kan användas vid bestämning av hålltiden för godset. Ugnen når sluttemperaturen betydligt snabbare och dess temperatur kan inte användas för att bedöma värmebehandlingstiderna. Figur 2: Tid-temperaturkurvor för uppvärmning av rundstång med olika diameter. Heldragen linje= yttemperatur, streckad linje = centrumtemperatur [1] 5
Den nödvändiga hålltiden vid austenitiseringstemperaturen, beror på hur snabbt omvandlingarna sker. Ett låglegerat stål har oftast en ferrit-perlitisk struktur före härdningen. Vid austenitiseringstemperaturen omvandlas denna till austenit nästan omedelbart medan omvandlingen av karbider kan ta längre tid. Det är karbidupplösningen som bestämmer hålltiden vid temperatur. Upplösningstiden bestäms av karbidtyp och deras storlek där karbider i höglegerade stål är mer svårlösta och grövre karbider behöver längre tid. Karbidstorleken beror på godsets tjocklek, dvs. på svalningsförhållandena efter gjutning, där grövre gods ger grövre karbider jämfört med klenare gods. Ju högre temperatur desto snabbare går omvandlingarna men samtidigt ökar risken för korntillväxt, som sänker segheten. Optimalt austenitiseringsintervall ger fullständig och snabb omvandling utan risk för korntillväxt. I Karlebos värmebehandlingshandbok rekommenderas följande tider: Kolstål och låglegerade konstruktionsstål: 5-15 min hålltid Medelhögt legerade stål: 15-25 min (oberoende av dimensionen) Låglegerade verktygsstål:,5 min per mm godstjocklek, dock minst 1 min och max 3 min Höglegerade kromstål:,5 min per mm godstjocklek, dock minst 1 min och max 6 min Varmarbetsstål: 13-3 min I referens [2] anges också att en hålltid på 15 min är tillräcklig vid austenitisering av låglegerat stål. Vid värmebehandling av grovt gods i konventionella ugnar ökar uppvärmningstiden med ökande godsdimension. Speciellt är det tiden för att värma de sista graderna före austenitiseringstemperaturen som tar lång tid. Redan innan austenitiseringstemperaturen nås, har omvandlingarna, karbidupplösningen, startat vilket kan utnyttjas för att korta hålltiden (utan att underskrida de ovan angivna min-tiderna). Detta har lett till att värmebehandlingshandboken [1] t.o.m. föreslår en förenkling till att använda 2 min hålltid vid härdning av alla stål, oberoende av dimension. 5.1.2 Anlöpning Anlöpning sker vid temperaturer mellan 2 till 65 C och görs för att minska hårdheten och restspänningar efter härdning. Uppvärmningstiderna är ganska lika vid låga och höga temperaturer, men värmestrålningen gör att värmningen sker något snabbare vid högre temperatur. Liksom vid värmning till härdningstemperatur så är temperaturskillnaden mellan yta och centrum liten när godset uppnår ugnstemperatur [1]. Omvandlingarna vid anlöpningen är en diffusionsprocess och förloppet styrs helt av temperatur och tid. Det finns alltså ingen minsta hålltid för att omvandlingarna ska starta. Hög temperatur / kort hålltid ger samma resultat som lägre temperatur / längre hålltid. Det är vanligt att använda 1-2 timmars hålltid och de flesta temperaturuppgifter och befintliga anlöpningsdiagram brukar gälla för dessa tider. Hålltiden vid anlöpning är inte kritisk på samma sätt som vid austenitisering; kortare hålltid ger något högre hårdhet än avsett och lång hålltid ger något lägre hårdhet. 6
5.1.3 Normalisering Det är vanligt att normalisera låglegerade gjutstål före härdningen i syfte att genomföra en kornförfining av stålet. Detta görs genom en austenitisering, vid samma temperaturer som används vid härdning, följt av långsam svalning, vanligen luftsvalning. Kornförfiningen fås genom de fasomvandlingar som sker (ferrit-perlit austenit ferrit-perlit) och någon karbidupplösning är inte nödvändig som vid härdning. Hålltiden vid temperatur är därför kortast möjliga, 1 2 min, för att undvika korntillväxt. 5.1.4 Släckglödgning Släckglödgning görs av austenitiska och duplexa rostfria stål för att upplösa de karbider och andra skadliga faser som bildas under den långsamma svalningen efter gjutningen. Utskiljningarna är små och upplöses snabbt vid de höga temperaturer som används. Upplösningen sker på några minuter och det är tillräckligt med hålltider på 15-3 minuter. För de duplexa rostfria stålen bör hålltiden inte vara för lång, eftersom fasbalansen ändras (mängden ferrit ökar). 5.2 Tumregeln vid värmebehandling En gammal tumregel säger att hålltiden ska vara 1h per tum. Regeln är oklar om när tiden ska börja räknas; från iläggning i ugn eller från när godset är varmt. Vidare förekommer olika tolkningar om hur tjockleken ska definieras; som halva radien eller som största tjocklek. Tumregeln verkar ha levt kvar längre för värmebehandling av gjutgods än inom andra områden, där man oftast har gått över till de riktlinjer för hålltiden som anges i tidigare avsnitt. Vid värmebehandling av grovt gjutgods ger tumregeln orimligt långa värmebehandlingstider. Detta kan, förutom onödig energianvändning, i vissa fall ge sämre materialegenskaper. 5.3 Värmebehandling i praktiken: uppvärmningssätt Det är få svenska stålgjuterier som är specialiserade på en viss ståltyp, utan de flesta tillverkar många olika stål alltifrån enkla kolmanganstål till höglegerade rostfria stål vilket ställer krav på flexibilitet i värmebehandlingen. Denna process är inte något kärnområde för stålgjuterierna, samtidigt som värmebehandlingen är avgörande för stålets slutliga egenskaper. Gjuterierna förlitar sig därför i stor grad på värmebehandlingsdata i standarder, normer och krav eller specifikationer från sina kunder. Dessa kan skilja sig åt, se exemplet nedan i tabell 2 för ett rostfritt martensitiskt stål, av typ 16-5-1 och liknande stål. Tabell 2: Värmebehandlingsdata för SS 2387 från olika källor Mtrl Cr-Ni-Mo Tillv. Källa Austenit.temp Tid CB6 16-4 gjuten ASTM A 743 98-1 5 C - 1.445 16-5-1 gjuten EN 1283 1 2-17 C 2387 16-5-1 gjuten Österby 1 5 C 1h/tum - 16-5-1 smidd Avesta 1 25 C,5 CA6NM 13-4-1 gjuten ASTM A 743 min 1 1 C 2RMO 13-6-,5 smidd Bofors 98 C 1 CA6NM 13-4-1 gjuten Sc Stavanger 1 3 C 3 Det dominerande uppvärmningssättet hos stålgjuteriernas värmebehandlingsugnar är gasolbrännare ( air-fuel ). Det är vanligt med kombiugnar, dvs. samma ugn 7
används omväxlande för härdning, anlöpning, släckglödgning osv. Gasol används till mycket annat än värmebehandling på ett gjuteri och det är inte vanligt att gasolförbrukningen följs upp specifikt för värmebehandlingen. Oxyfuelbrännare, som testas i projektet, förekommer ännu inte på svenska stålgjuterier. 6 Undersökningar 6.1 Värmebehandlingsförsök i labskala; utförande Gjutet försöksmaterial tillverkades av deltagande gjuterier och levererades till Swerea SWECAST för värmebehandlingsförsök och provning. 6.1.1 Material De stålsorter som skulle undersökas valdes i samråd med de deltagande gjuterierna. Urvalet gjordes för att täcka de vanligaste stålsorterna samt representera olika typer av värmebehandling. De vanligaste typerna av gjutstål visas i figur 3. Av dessa valdes ett seghärdningsstål (SS 2225), ett rostfritt härdat och anlöpt stål (SS 2387), ett släckglödgat duplext rostfritt stål (SS 2377) från två olika gjuterier. Stålen tillverkades i samband med ordinarie produktion; tillverkande gjuteri visas i tabell 3. Materialet levererades i form av kölprov med tjocklek i botten av provet på c:a 25-3 2 mm. Proven hade ej värmebehandlats före leverans till Swerea SWECAST. G J U T S T Å L S L E G E R I N G A R Olegerade Värmebeständiga stål Mn-stål Lågleg. CrMo- och CrNiMo-stål Högleger. Mn-stål Rostfria Lågleg. Konstruktionsstål Seghärdningsstål varmhållfasta stål Martensit- Figur 3: Vanliga gjutstålslegeringar med värmebehandlingar. De material som undersökts är markerade med blått. austenit- iska Ferrit- Duplexa martensit- iska Austenitferritiska Austenitiska Utskiljn.- härdande SS 135 SS 212 SS 2225 SS 2223 SS 2183 SS 2387 SS 232 SS 2324 SS 2333 (17-4PH) SS 136 SS 2172 KW16A SS 2224 SS 2377 SS 2343 (15-5PH) SS 155 SS 2234 SS 2353 SS 166 SS 2244 SS 2366 Värmebehandlingar: Låglegerade Höglegerade SS 2245 SS 2564 SS 2541 GJGL - GJGL - GJGL - GJGL - SLÄCKGL - GJGL - GJGL - SLÄCKGL - SLÄCKGL - UPPLÖSN NORM - NORM/SEGHÄ - NORM - NORM - NORM - SEGHÄ - ÅLDR - YTHÄ - SEGHÄ - SEGHÄ - SEGHÄ 8
Tabell 3: Undersökta stålsorter och tillverkande gjuteri Stålsort SS-EN Gjuteri Märkning SS 2225 26CrMo4 SSG 95 SS 2387 1.445 Österby SS 2377 1.447 SSG 939 - - - - Österby 664, 665, 666 och 667 6.1.2 Värmebehandlingsutförande Provämnen, fyrkant 2-25 mm, kapades från kölproven före värmebehandlingsförsöken. Värmebehandlingen gjordes i labugn på SWECAST och temperaturen följdes med vidlagda kalibrerade termoelement, se figur 4. Värmebehandlingen gjordes med olika hålltider; från 15 min till 3 timmar, se schema i tabell 4. Värmebehandlingen utfördes så att alla prov av en viss stålsort värmdes samtidigt, varefter proven togs ut och kyldes när den förvalda hålltiden nåtts. Den angivna tiden är tid vid temperatur, exkl. uppvärmningstid. För de använda proven var uppvärmningstiden c:a 15 minuter. Alla prover för samma stålsorter anlöptes sedan samtidigt, oavsett hålltid vid den föregående värmebehandlingen. Figur 4: Labugnen hos Swerea SWECAST som användes för värmebehandlingar 9
Tabell 4: Värmebehandlingsschema för labprover Stålsort Härdning Hålltider Anlöpning / Åldring SS 2225, SSG Norm. 95 C / luft + 85 C / hålltid / vatten 6 och 25 minuter 555 C / 2 h / luft - - 85 C / hålltid / vatten 3, 6 och 25 minuter 555 C / 2 h / luft SS 2387, Österby 1 C / hålltid / vatten 3, 6 och 27 minuter 6 C / 4,5 h / luft - - 1 5 C / hålltid / vatten 3, 6 och 3 minuter 6 C / 4,5 h / luft - - 1 3 C / hålltid / vatten 3 minuter 575 /6 /625 C / 3 h / luft SS 2377, SSG *) 1 5 C / hålltid / vatten 15, 6 och 3 minuter - - - 1 1 C / hålltid / vatten 15, 6 och 3 minuter - - - 1 175 C / hålltid / vatten 15, 6 och 3 minuter - SS 2377, Österby 1 5 C / hålltid / vatten, 45, och 165 minuter - - - 1 1 C / hålltid / vatten, 45, och 165 minuter - - - 1 15 C / hålltid / vatten, 45, och 165 minuter - 6.1.3 Provning Från de värmebehandlade provstavsämnena bearbetades drag- och slagprovstavar hos Ljungs Mekaniska. Provningen utfördes hos Swerea SWECAST på sedvanligt sätt enligt SS-EN 6892-1:29 (dragprovning) resp. SS-EN 1 45-1 (slagprovning). All dragprovning utfördes vid rumstemperatur; provningstemperatur för slagprovningen anges i resultattabellerna. Mikrostrukturen undersöktes på några av proven; detta gjorde på de slipade och polerade slagprovshalvorna. Korrosionsprovning på det duplexa rostfria stålet SS 2377 gjordes i ett annat projekt i samarbete med Swerea KIMAB. De gjorde även en ingående studie av förekomsten av utskiljningar i materialet (KIMAB report 21-137). 6.2 Labförsök, resultat 6.2.1 Hållfasthetsprovning Alla resultat från drag- och slagprovningen ges i bilagorna 1-1 till 1-5. I följande figurer 5-15 visas draghållfasthet, duktilitet och seghet som funktion av hålltid vid austenitiserings-temperatur för resp. stålsort och kommenteras i följande avsnitt. Seghärdningsstål 2225 Två av de vanligaste värmebehandlingarna för 2225 har provats; härdning med högtemperaturanlöpning (seghärdning) resp. normalisering följt av seghärdning. Den senare kan användas för att minska kornstorleken hos stålet. Vid enbart seghärdning, figurerna 5-6, är både hållfasthet (sträckgräns Rp och brottgräns Rm) och duktilitet och seghet (A5, Z och KV) högst vid de kortare hålltiderna 3-6 min. Vid den längre hålltiden, 25 min, är alla värden lägre. Vid normalisering + seghärdning, figurerna 7-8, saknas resultat för den kortaste hålltiden. De 1
resterande resultaten visar något högre hållfasthet och seghet efter den längsta hålltiden. Värdena är dock lägre jämfört med enbart seghärdning. SS 2225 Hä: 85 C / vatten Rp, Rm (MPa) 1 98 96 94 92 9 88 86 84 82 8 3 6 25 Hålltid (min) Rp Rm Figur 5: SS 2225, härdat; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp,2) efter austenitisering med olika hålltider. 7 6 SS 2225 Hä: 85 C / vatten A5 Z A5, Z (%), KV (J) 5 4 3 2 1 Charpy V 3 6 25 Hålltid (min) Figur 6: SS 2225, härdat; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering med olika hålltider. 11
1 95 SS 2225 Norm: 95 C, Hä: 85 C / vatten, anlöp Rp, Rm (MPa) 9 85 8 75 7 Rp Rm 3 6 25 Hålltid (min) Figur 7: SS 2225, normaliserat + härdat; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp,2) efter austenitisering med olika hålltider. 7 SS 2225 Norm: 95 C, Hä: 85 C / vatten, anlöp 6 A5, Z (%), KV (J) 5 4 3 2 1 A5 Z Charpy V 3 6 25 Hålltid (min) Figur 8: SS 2225, normaliserat + härdat; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering med olika hålltider. Martensit-austenitiskt rostfritt stål 2387 Även för 2387 är seghärdning den vanligaste värmebehandlingen. Olika härdtemperaturer anges i standarder och därför har härdning gjorts från två olika temperaturer, 1 C resp. 1 5 C, och med olika hålltider. Härdförsöken från den lägre temperaturen gav mycket lika resultat, oberoende av hålltid, figur 9-1. Vid den högre härdtemperaturen var hållfastheten (Rp och Rm) lika medan duktilitet och seghet var något högre efter hålltid 6 min, figur 11-12. Med ökande anlöpningstemperatur, figur 13, ökar segheten medan hållfastheten minskar. 12
12 SS 2387 Hä: 1 C / luft, anlö: 6 C 1 Rp, Rm (MPa) 8 6 4 2 Rp Rm 3 6 3 Hålltid (min) Figur 9: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp,2) efter austenitisering 1 C med olika hålltider. 5 SS 2387 Hä: 1 C / luft, anlö: 6 C A5, Z (%), KV (J) 4 3 2 1 A5 Z Charpy V 3 6 3 Hålltid (min) Figur 1: SS 2387; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering 1 C med olika hålltider. 13
SS 2387 Hä: 1 5 C / luft, anlö: 6 C 12 1 Rp, Rm (MPa) 8 6 4 2 Rp Rm 3 6 3 Hålltid (min) Figur 11: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp,2) efter austenitisering 1 5 C med olika hålltider. 5 SS 2387 Hä: 1 5 C / luft, anlö: 6 C A5, Z (%), KV (J) 4 3 2 1 A5 Z Charpy V 3 6 3 Hålltid (min) Figur 12: SS 2387; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering 1 5 C med olika hålltider. 14
Rp, Rm (MPa) 12 1 8 6 4 2 SS 2387 Hä: 1 3 C / 3 min / luft, anlö: 3 h 55 57 59 61 63 65 Anlöp-temp Figur 13: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp,2), förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter anlöpning vid olika temperaturer. Rp Rm A5 Z Charpy V 8 7 6 5 4 3 2 1 A5, och Z (%), KV (J) Duplext rostfritt stål 2377 För duplexa stål görs en s.k. släckglödgning från hög temperatur. Denna innebär en upplösning av försprödande faser och slagsegheten för några olika kombinationer av temperatur och hålltid har undersökts. Slagseghet i kyla är ett bra mått på ev. försprödning. Material från två olika gjuterier har provats. Slagsegheten ökar med ökande upplösningstemperatur, figur 14-15, och är hög redan vid den kortaste hålltiden. I vissa fall minskar slagsegheten vid de längre hålltiderna. KV -4 C (J) 1 8 6 4 2 2377 (SSG) - slagseghet efter upplösningsbehandling vid olika temp / tid 1175 C 11 C 15 C 1 2 3 4 Hålltid (min) Figur 14: SS 2377- SSG; slagseghet (KV) vid -4 C efter släckglödgning från olika temperaturer och efter olika hålltider. 15
2377 (ÖGAB) - slagseghet efter upplösningsbehandling vid olika temp / tid KV -4 C (J) 16 14 12 1 8 6 4 2 115 C 11 C 15 C 5 1 15 2 Hålltid (min) Figur 15: SS 2377- ÖGAB; slagseghet (KV) vid -4 C efter släckglödgning med olika hålltider. 6.2.2 Mikrostruktur Strukturen hos de olika stålen studerades efter värmebehandling vid de olika hålltiderna. Mikrostrukturen bedömdes som normal för resp. ståltyp och några skillnader mellan de olika hålltiderna kunde inte ses vid granskning i ljusmikroskop. Några av strukturerna finns dokumenterade i bilagorna. 7 Oxyfuelteknik Detta avsnitt är skrivet med underlag från AGA Gas AB. Huvudidén med oxyfueltekniken är att ha en förbränning utan närvaro av kväve. Kväve, som är ca 78 % av luften, agerar endast som en ballast vid förbränning. Genom att använda syrgas som oxidant i stället för luft, i t.ex. en ugn, så får man en mycket snabbare uppvärmning av atmosfären i ugnen då väsentligt mindre gas måste värmas upp, se figur 16. Man får också en minskad bränsleförbrukning som en följd av att mindre gas måste värmas upp. I och med att man inte har något kväve i avgasen så blir gasstrålningen vid användningen av oxyfuel högre än med luft, se figur 17. 16
Figur 16: Gasmängd vid förbränning av luft resp. syrgas Figur 17: Högre gasstrålning med oxyfuel Den konventionella oxyfueltekniken bidrar till en hög flamtemperatur. En hög flamtemperatur (~14 o C) bidrar i sin tur till bildningen av NO x. För att få ner flamtemperaturen har en teknik för att späda ut flamman utvecklats, Flamlös Oxyfuel (Rebox). Denna teknik fungerar så att man separerar bränslet och syrgasen i brännaren. Detta medför sedan att när ugnsatmosfären har en temperatur på ca 75 o C späds flamman ut tillsammans med de varma gaserna i atmosfären och får en lägre temperatur, se figur 18. Med den flamlösa tekniken kan man reducera NO x -bildningen med 5% jämfört med luftbrännare. 17
Figur 18: Flamlös Oxyfuel Utrustningen som har använts vid försöken, Oxygon 4, är ett standardiserat brännarsystem med den flamlösa oxyfueltekniken. Systemet har en nominell effekt på 4 kw, men kan ställas in mellan 2-5 kw. Säkerhet ges av kontinuerlig flamövervakning med UV-cell, kontinuerlig tryckmätning samt läckagetest. Systemet styrs av en på/av-reglering och termoelement mot satt måltemperatur. Automatisk tändning med pilotbrännare som brinner konstant. Oxygon 4 kan både ha gasol eller naturgas som bränsle. 8 Energimätningar hos stålgjuteri 8.1 Inledning Värmebehandlingsförsök gjordes i fullskala, främst för att jämföra energianvändning hos konventionella airfuelbrännare med oxyfuelbrännare, men även för att ta fram typisk energianvändning vid olika värmebehandlingar. Försöken gjordes hos Smålands Stålgjuteri (SSG). Deras gasoleldade värmebehandlingsugn valdes som representativ för de ugnar som används hos svenska stålgjuterier samt att det bedömdes vara enklast att här passa in försöken i ordinarie produktion. Ugnen används för de flesta värmebehandlingarna hos SSG, både härdning, normalisering, anlöpning och släckglödgning vid temperaturer från 5 C till 115 C. Ugnen, av fabrikat Danlof, är normalt utrustad med två gasolbrännare och installerades för c:a 1 år sedan. Invändiga ugnsdimensioner är botten c:a 2 2, 5 m och höjd 1,5 m, volym c:a 7,5 m 3. Vid värmebehandlingsförsöken beslutades att använda material från den löpande produktionen och inte speciella testkroppar som vid tidigare försök ( Energieffektiv värmebehandling av stål Henrik Svensson, rapport 8111). Dessa testkroppar hade grova dimensioner för att kunna mäta ev. temperatur- och egenskapsskillnader mellan yta centrum, men den stora godstjockleken gjorde provuttag omständligt och kostsamt. Värmebehandlingsförsök i löpande produktion möjliggör fler försök, enklare provuttag och mer realistiska tester men försöksomfattningen begränsas av vad som produceras för tillfället. Målet var att försöka följa liknande stålsorter och delvis liknande tider/temperaturer som testats vid de tidigare lab-försöken. 8.2 Beskrivning av oxyfuelförsök Försöken med oxyfuelbrännare gjordes hos SSG i januari 211. Deras gasoleldade värmebehandlingsugn valdes som representativ för de ugnar som används hos svenska stålgjuterier samt att det bedömdes vara möjligt att passa in försöken i ordinarie produktion. Ugnen används för de flesta värmebehandlingarna hos SSG; 18
både härdning, normalisering, anlöpning och släckglödgning vid temperaturer från 5-6 till 1 15 C. Vid försöken användes en oxyfuelbrännare Oxygon 4 från AGA, se även föregående avsnitt, med maxeffekt 37 kw och mineffekt 15 kw som ersättning för ugnens två ordinarie brännare. Dessa kopplades bort och all styrning av gasol och syrgas skedde via utrustning från AGA. Syrgasen levererades från dittransporterad tank medan gasolen kopplades om från SSG s tank. Den ena av de ordinarie brännarna monterades bort och ett större hål togs upp för montering av oxyfuelbrännaren. Denna placerades framtill, vid ena sidan, se figur 19-2. Gasolförbrukning, brännareffekt och temperaturer loggades med PC. Ugnstemperaturen styrdes med termoelement fritt placerat i ugn medan godsets temperatur loggades med termoelement placerat mitt bland de värmebehandlade detaljerna. Termoelementet fästes på ytan av godset men var inte inborrat i godset. De genomförda oxyfuelförsöken omfattade flera seghärdningar (härdning och anlöpning) och vardera en normalisering och en släckglödning, se sammanställning i tabell 5. Totalt sett omfattar uppföljningen ett stort antal värmebehandlingar, vilket ger goda möjligheter till utvärdering av oxyfueltekniken. Kortare hålltider har redan införts hos SSG under inledningen av projektet och de använda hålltiderna är kortare än vad tumregeln skulle föreskriva. Tabell 5: Sammanställning av värmebehandlingsförsök med oxyfuelbrännare hos Smålands Stålgjuteri Vbh-nr Material Typ av värmebehandling Nominell temperatur Nominell hålltid 1-1 SS 2225 Härdning 9 3 1-2 Anlöpning 7 9 2 SS 2172 Normalisering 95 3 4-1 SS 2225 Härdning 9 9 4-2 Anlöpning 7 9 5-1 SS 2225 Härdning 9 3 5-2 Anlöpning 7 9 6-1 SS 2225 Härdning 9 6 6-2 Anlöpning 75 9 7 SS 2377 Släckglödgning 1 1 3 19
Figur 19: Ventiler och styrning syrgas och gasol till oxyfuelbrännare (övre bild). Oxyfuelbrännare monterad på sidan av ugnen hos SSG (nedre bild). 2
Figur 2: Oxyfuelbrännare monterad på vänstra sidan av ugnen (övre bild). Uttag av värmebehandlat gods (nedre bild). 8.3 Resultat av försök med oxyfuelbrännare Vid värmebehandlingsförsöken loggades temperaturer i ugn och i gods samt momentan effekt hos oxyfuelbrännaren. Energianvändning beräknades från brännareffekten, liksom gasol och syrgasförbrukning enligt formel att 1 kg gasol motsvarar c:a 12,9 kwh (1 Nm 3 gasol väger 2 kg). Efter behandling av mätdata fördes de över till Excel-format. Data för alla körningar visas i bilaga 2-1 till 2-1. Resultat för högtemperaturbehandlingar (härdning, normalisering och släckglödgning) resp. lågtemperaturbehandlingar (anlöpning) ges i tabell 6-7 och medelvärden för resp. värmebehandling visas i tabell 8. Ett exempel på utvärderad energianvändning och temperaturförlopp visas i figur 21. Kurvan för ugnstemperaturen visar att ugnen i detta fall har behållit värme sedan föregående värmebehandling; vidare att en övertemperatur på c:a 8 C använts. Provtemperaturen hos godset har till att börja med ökat snabbt för att sedan långsamt närma sig hålltemperaturen. Brännarens effekt har legat på max tills avsedd ugnstemperatur har uppnåtts för att därefter växla mellan låg- och hög-effekt. Energianvändningen ökar linjärt under uppvärmnings-förloppet för att sedan sakta av när ugnstemperaturen nås och senare när godset blir varmt. 21
12 SS 2377 - släckglödgning 1 1 C 6 Temperatur, effekt (kw) 1 8 6 4 2 5 4 3 2 1 Energi (kwh) :: :15: :3: :45: 1:: 1:15: 1:3: 1:45: Tid Ugnstemp Provtemp fram Effekt (kw) Energi (kwh) Figur 21: Släckglödgning av 2377 med oxyfuelbrännare hos SSG (försök 7, bilaga 2-1). Energianvändningen har uppdelats på uppvärmning av godset resp. hålltid vid temperatur. Tiden för uppvärmning är svår att exakt bestämma eftersom temperaturökningen är mycket långsam den sista biten innan avsedd temperatur nås. Uppvärmningen har bedömts som avslutad när temperaturen har planat ut, även om exakt sluttemperatur ännu inte uppnåtts. Vidare släpar temperaturen i centrum av godset något efter yttemperaturen. Det senare har troligen mindre betydelse eftersom godset är klent i dessa värmebehandlingar. Försöken fungerade överlag bra men några misstag har förstås inträffat; i några av försöken har mätningarna bara fungerat delvis medan andra har påverkats av att brännaren tillfälligt stoppat, tillfällig felvisning av temperatur mm. Verkliga temperaturer och hålltid kan avvika från de planerade; vidare har styrtemperaturen (övertemperaturen) varierat mellan körningarna vilket påverkar uppvärmningshastighet och energianvändning. Energianvändningen ökar med ökande värmebehandlingstemperatur, jämför t.ex. anlöpning och härdning i figur 22. Att skillnaden mellan släckglödgning och härdning är liten trots stor temperaturskillnad förklaras av den kortare hålltiden vid släckglödgning. Den största andelen av energin, 7-8 %, används för uppvärmning av godset, se figur 23. Energianvändningen vid uppvärmning ökar kraftigt med ökande temperatur, se figur 24, och är minst 6-7 % högre vid härdning jämfört med anlöpning. När väl värmebehandlingstemperaturen är uppnådd så är skillnaden i energianvändning för att behålla temperaturen inte stor, även om den ökar med ökande temperatur, se figur 25. Vid den första värmebehandlingen (Härdning 1) var ugnen kall efter några dagars stillestånd pga. brännarbyte. Energin för uppvärmning till temperatur var då betydligt större, c:a dubbelt så hög, jämfört med senare värmebehandlingar som startade från varm eller halvvarm ugn, se tabell 6 och figur 26. En annan faktor 22
som också påverkar energianvändningen är styrtemperaturen vid uppvärmning. Om denna väljs högre än sluttemperaturen så går uppvärmningen snabbare och med större energianvändning medan mindre energi används för att hålla temperaturen, se t.ex. Normalisering och särskilt Anlöpning 2. Vid den senare värmebehandlingen användes så hög övertemperatur att brännaren gick på lågeffekt under hela hålltiden med resulterande mycket låg energianvändning. Den totala energianvändningen för uppvärmning och hålltid är ändå ganska lika. Tabell 6: Sammanställning av oxyfuelresultat från härdning resp. normalisering Härdning 1 Härdning 2 Härdning 3 Härdning 4 Normalisering Vbh-nr/Bilaga 1-1 / bil 2-1 4-1 / bil 2-4 5-1 / bil 2-6 6-1 / bil 2-8 2 / bil 2-3 Stålsort 2225 2225 2225 2225 2172 Temp 9 9 9 9 95 Avsedd hålltid (min) 3 9 3 6 3 Vikt (ton) Kall/varm ugn: starttemp Verklig sluttemp Verklig hålltid (h:mm) Totaltid (h:mm) Uppvärmnings tid (h:mm) Total energi (kwh) Energi uppv (kwh) Energi hålltid (kwh) Total gasol Total syrgas Kall - Varm: 35 Varm: 55 Varm; 4 92 935 91 929 971 :52 1:3 1:11 1: :33 2:37-2:3 1:54 1:38 1:45 - :52 :54 1:5 671-375 33 336 61 1) - 311 228 36 61 > 91 64 12 3 2) 26-15 13 13 133-74 65 66 1) Start från kall ugn gav högre energianvändning under uppvärmningen. 2) Hög styrtemperatur under uppvärmning gav lägre effekt under hålltiden. 23
Tabell 7: Sammanställning av oxyfuelresultat från anlöpning resp. släckglödning Anlöpning 1 Anlöpning 2 Anlöpning 3 Anlöpning 4 Släckglödg ning Vbhnr/Bilaga 1-2 / bil 2-2 4-2 / bil 2-5 5-2 / bil 2-7 6-2 / bil 2-9 7 / bil 2-1 Stålsort 2225 2225 2225 2225 2377 Temp 7 7 7 7 1 1 Avsedd hålltid (min) 6 9 9 6 1 Vikt (ton) Kall/varm ugn:starttem p Verklig temp Verklig hålltid (h:mm) Totaltid (h:mm) Uppvärmnin gstid (h:mm) Total energi (kwh) Energi uppvärmnin g (kwh) Energi hålltid (kwh) Varm: 7 Varm: 7 Varm: 25 Varm: 65 Varm 5 718 746 71 729 1 12 1:17 1:12 1:24 :58 :1 2:3 2:2 2:39 1:23 1:21 :46 :5 1:15 :25 1:11 276 257 226-373 188 232 159-359 88 25 1) 67-14 Total gasol 11 1 9-14 Total syrgas 55 51 45-74 1) Mkt. hög styrtemperatur under uppvärmning gav låg effekt under hålltiden. 24
Tabell 8: Medelvärde av olika typer av värmebehandling med oxyfuelbrännare. (Gråmarkerade värden har använts i de följande figurerna.) Medel härdning, normalisering 1) Medel anlöpning 2) Släckglödgning Uppvärmn-tid (h:mm) 1:9 :45 1:11 Medeltemp 93 725 112 Medel-hålltid (h:mm) 1:1 1:13 :1 Total energi (kwh) 428 (347) 253 (251) 373 Energi (kwh) uppvärmning 364 (282) 193 (174) 359 Energi hålltid (kwh) 7 (72) 6 (78) 14 Energi uppv (%) 84 (81) 76 (69) 96 Energi hålltid (%) 17 (19) 24 (31) 4 Energi / uppv-tid (kwh/h) 311 (298) 217 (186) 33 Energi / hålltid (kwh/h) 68 (68) 46 (59) 84 Total gasol 17 (14) 1 14 Total syrgas 85 (68) 5 74 1) Värden inom parentes är exkl. härdning nr 1 (med start från kall ugn) 2) Exkl. anlöpning nr 2 (med hög övertemperatur vid uppvärmningen) 4 Energianvändning i kwh för olika värmebehandlingar (oxyfuel) 35 3 Energi (kwh) 25 2 15 1 5 Anlöpning Härdning Släckglödgning Energi vid uppvärmning (kwh) Energi vid uppnådd temp (kwh) Figur 22: Energianvändning (medel) för de olika värmebehandlingarna (oxyfuel). 25
Energi (%) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Energi i % för olika värmebehandlingar (oxyfuel) Anlöpning Härdning Släckglödgning Energi uppv (%) Energi hålltid (%) Figur 23: Fördelning av energianvändning på uppvärmning resp. varmhållning för de olika värmebehandlingarna (oxyfuel). 4 Medelenergi vid uppvärmning vs. medel slut-temperatur (oxyfuel) 35 3 Energi (kwh) 25 2 15 1 5 6 7 8 9 1 11 12 Figur 24: Energianvändning för uppvärmningsdelen vid olika sluttemperaturer (oxyfuel). 26
Effekt = energi per timma hålltid (kwh/h) Medeleffekt vid hålltid vs. medel hålltemperatur (oxyfuel) 1 9 8 7 6 5 4 3 6 7 8 9 1 11 12 Temperatur Figur 25: Medeleffekt under varmhållning vid olika sluttemperaturer (oxyfuel). 7 6 Uppvärmningsenergi härdning vs. ugnstemp vid start (oxyfuel) Uppvärmningsenergi (kwh) 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Ugnstemperatur vid start Figur 26: Energianvändning under uppvärmningsdelen vid olika vid olika starttemperaturer hos ugnen (oxyfuelbrännare). 8.4 Beskrivning och resultat med airfuelbrännare Mätning av energianvändning med airfuelbrännare gjordes på samma ugn hos Smålands Stålgjuteri som använts vid tidigare oxyfuelförsök. Även nu gjordes mätningarna på detaljer i löpande produktion. De ordinarie brännarna återmonterades och energianvändningen följdes genom att mäta gasolförbrukningen. En gasflödesmätare monterades på ledningen till ugnen. 27
Mätningarna utfördes genom manuell avläsning var 15:e minut av gasflöde och godsets temperatur. Godstemperaturen mättes med termoelement placerad på ytan av godset. Mätdata fördes över till Excel-mallar för utvärdering och presentation. Energianvändning beräknades ur gasolmätningarna enligt 1 kg gasol motsvarar c:a 12,9 kwh (1 Nm 3 gasol väger 2 kg). Ett exempel på resultat visas i figur 27 med temperatur, energi och medeleffekt. Temperatur, medeleffekt (kwh/h) 12 9 Släckglödgning 2377 11 1 75 9 8 6 7 6 45 5 4 3 3 2 15 1 : :3 1: 1:3 2: 2:3 3: 3:3 4: 4:3 5: Tid Godstemperatur Medeleffekt (kwh/h) Energi (kwh) Figur 27: Släckglödgning av 2377 med airfuelbrännare hos SSG (försök 1, bilaga 3-1). Energi (kwh) Mätningarna gjordes under våren-sommaren 212 och även nu gjordes mätningarna på detaljer i löpande produktion. För några av värmebehandlingarna noterades bara uppvärmningsfasen och underlaget för hålltiden är ofullständigt för vissa av värmebehandlingarna. Resultaten visas i bilagorna 3-1 till 3-7 och sammanfattas i tabell 9-11. I figur 28 visas den totala energianvändningen för de olika värmebehandlingarna uppdelat på uppvärmning resp. hålltid vid temperatur. Energi för uppvärmning utgör c:a 8-9 % av den totala energianvändningen, se figur 29. Uppvärmningsenergin ökar med ökande värmebehandlings-temperatur, liksom även medeleffekten för att hålla uppnådd temperatur, se figur 3-31. 28
Tabell 9: Sammanställning av airfuelresultat från härdning och normalisering Härdning Normalisering Högtemp Vbh-nr/Bilaga 3.1 / bil 3-3 5 / bil 3-6 6 / bil 3-7 Stålsort 2225 2172 2225 Temp 95 85 95 Avsedd hålltid (min) 3 6 75 Vikt (ton),45,63 Kall/varm ugn Verklig sluttemp 939 85 95 Totaltid (h:mm) 2:3 3: 2:45 Uppvärmning (h:mm) 2:3 1:5 2: Verklig hålltid (h:mm) : 1: :45 Total energi (kwh) 464 357 31 Energi uppv (kwh) 464 3 271 Energi hålltid (kwh) 57 39 Energi uppv (%) 84% 87% Energi hålltid (%) 16% 13% Energi / uppv-tid (kwh/h) 186 164 136 Energi / hålltid (kwh/h) 57 49 Total gasol (Nm3) 18 14 12 Tabell 1: Sammanställning av airfuelresultat från anlöpning och mjukglödgning och släckglödgning Anlöpning 1 Mjukgl 1 Släckglödg. 1 Släckglödg. 2 Vbh-nr/Bilaga 3.2 / bil 3-4 2 / bil 3-2 1 / bil 3-1 4 /bil 3-5 Stålsort 2225 82 2377 2377 Temp 7 8 1 3 1 13 Avsedd hålltid (min) 3 3 3 Vikt (ton) Kall/varm ugn Verklig temp 69 82 1 28 1 12 Totaltid (h:mm) 2: 4:3 - Uppvärmning (h:mm) 1:45 2: 3:45 2:3 Verklig hålltid (h:mm) :3 : :45 :15 Total energi (kwh) 414 359 824 63 Energi uppv (kwh) 386 359 758 584 Energi hålltid (kwh) 28 66 19 Energi uppv (%) 93% 92% Energi hålltid (%) 7% 8% Energi / uppv-tid (kwh/h) 221 18 22 234 Energi / hålltid (kwh/h) 56 88 76 Total gasol (Nm3) 16 14 32 23 29
Tabell 11: Medelvärde av olika typer av vbh med airfuelbrännare. Medel härdning, normalisering Anlöpn. + mjukglödg. Medel släckglödgning Uppvärmn-tid (h:mm) 2:45 1:52 4:3 Medeltemp 913 755 174 Medel-hålltid (h:mm) :52 :3 :3 Total energi (kwh) 377 387 713,5 Energi uppv (kwh) 464 373 671 Energi hålltid (kwh) 48 28 66 Energi uppv (%) 85 93 92 Energi hålltid (%) 15 7 8 Energi / uppv-tid (kwh/h) 186 21 218 Energi / hålltid (kwh/h) 75 56 82 Total gasol 15 15 28 8 Energianvändning vs. vbh-typ (air-fuel) 7 6 Energi (kwh) 5 4 3 2 1 Anlöpning Härdning Släckglödgning Energi vid uppvärmning (kwh) Energi vid uppnådd temp (kwh) Figur 28: Energianvändning (medel) för de olika värmebehandlingarna (air-fuel). 3
Energi i % vs. vbh-typ (air-fuel) Energi (%) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Härdning Släckglödgning Energi uppv (%) Energi hålltid (%) Figur 29: Fördelning av energianvändning på uppvärmning resp. varmhållning för de olika värmebehandlingarna (air-fuel). 8 Medelenergi vid uppvärmning vs. medeltemp (air-fuel) 7 6 Energi (kwh) 5 4 3 2 1 6 7 8 9 1 11 12 Figur 3: Energianvändning för uppvärmningsdelen vid olika sluttemperaturer (air-fuel). 31