Halvtidsrapport 2011-06-30 Optimerad värmebehandling av gjutstål Lennart Sibeck
Box 2033, 550 02 Jönköping Telefon 036-30 12 00 Telefax 036-16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se 2011, Swerea SWECAST AB
Diarienr Projekt namn 2008-002906 Optimerad värmebehandling av gjutstål Status Öppen Författare Datum Lennart Sibeck 2011-06-20 Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 2 2 PROJEKTBESKRIVNING... 2 2.1 FÖRÄNDRINGAR I PROJEKTINNEHÅLL OCH TID I FÖRHÅLLANDE TILL ANSÖKAN... 2 3 MEDVERKANDE FÖRETAG... 3 4 MÅLUPPFYLLELSE... 3 4.1 ENERGIBESPARINGSPOTENTIALEN... 4 4.2 PROJEKTETS GENOMFÖRANDE... 4 4.3 PROJEKTETS EKONOMI... 5 5 INFORMATIONSSPRIDNING... 6 5.1 PUBLIKATIONER... 6 6 DISKUSSION OM PROJEKTETS ARBETE I FÖRHÅLLANDE TILL UPPSATTA MÅL...6 7 SPIN-OFFS... 6 8 SLUTSATSER... 7 1
1 Inledning Föreliggande rapport redogör för status i projektet Optimerad värmebehandling av gjutstål, Dnr 2008-002906, vid halvårsskiftet 2011. Projektet startades 2009 och skulle ha avslutats 2011-06-30 men har förlängts till 2011-11-30. Projektet undersöker möjligheterna att spara energi och minska utsläpp genom att att använda kortare värmebehandlingstider och energieffektivare brännare hos stålgjuterier. Tiderna kan kortas genom snabbare uppvärmning och/eller kortare hålltid vid temperatur. Ändrade processtider kan påverka gjutgodsets egenskaper och materialegenskaperna måste därför verifieras. I ett tidigare projekt ( Energieffektiv värmebehandling av stål - 1793) gjordes inledande försök med snabbare uppvärmning med hjälp av s.k. oxyfuel-brännare. 2 Projektbeskrivning I Sverige finns ett tiotal stålgjuterier som tillsammans producerar 20-25 000 ton stålgjutgods per år. Dessa gjutgodsdetaljer genomgår minst en, oftast flera värmebehandlingar, före leverans. Ett medelstort stålgjuteri förbrukar omkring 300 000 kg gasol per år, motsvarande 3,9 GWh/år varav huvudparten används för värmebehandling. Denna ger stålet dess slutliga egenskaper; temperatur och tid är därför kritiska för resultatet. Värmebehandlingar av gjutstål består oftast av flera steg. Processen kan vara svår att styra, med temperaturvariationer i godset. Olika gjuterier har olika praxis men det har visat sig att många gjuteruier använder onödigt långa värmebehandlingstider för säkerhets skull. Nyutvecklade brännare ger möjlighet till effektivare förbränning och snabbare uppvärmningsförlopp; i projektet studeras oxyfuel-brännare. Det finns stora möjligheter till energibesparing men eftersom processerna är komplexa så krävs en gemensam teknikinsats av flera stålgjuterier tillsammans med institut. 2.1 Förändringar i projektinnehåll och tid i förhållande till ansökan Projektet startades några månader senare än planerat i avvaktan på att undertecknad projektledare började vid Swerea SWECAST. Det har därefter löpt enligt plan fram tills försöken med oxyfuelbrännare hos i produktionsutrustningen hos ett stålgjuteri skulle utföras. Försöken försenades p.g.a. hög beläggning. Jämförande försök med vanliga brännare fick också skjutas på eftersom gjuteriet saknade möjlighet att mäta sin ordinarie gasolförbrukning. Detta är nu ordnat och mätningar görs efter semestern. Projektet har också gått på sparlåga under våren 2011 p.g.a. sjukdom hos projektledaren. Tidsplanen för projektet har förskjutits men innehållet bedöms vara oförändrat. 2
3 Medverkande företag Följande företag medverkar i projektet: Partner Swerea SWECAST AB Smålands Stålgjuteri Österby Gjuteri A Laholm Stål Kohlswa Gjuteri AB AGA GAS AB Preem Gas AB 4 Måluppfyllelse Roll i projektet Forskningsutförare Stålgjuteri Stålgjuteri Stålgjuteri Stålgjuteri Leverantör gas, brännare Leverantör gas Det övergripande målet är att 10 år efter projektslut effektivisera värmebehandlingen av stålgjutgods och därmed minska energianvändningen och förkorta produktionstiden av detaljer i gjutstål. Mer specifika mål beskrivs och kommenteras i det följande: Fördjupade studier på oxyfuelbrännare. o Kommentar: Pågår. Målet bedöms kunna uppfyllas. Försök med oxyfuelbrännare har genomförts hos Smålands stålgjuteri med utrustning från AGA GAS. Försöken visar preliminärt på betydande förkortning av den totala värmebehandlingstiden. Energijämförelser med konventionella brännare pågår. Noggranna försök för att se hur mycket värmebehandlingstiderna kan kortas. o Kommentar: Pågår. Målet är i stort sett uppfyllt; återstår verifiering med fullskaleförsök hos gjuterier. Litteraturstudier har gjorts för att ta reda på optimala tider för olika stålsorter. Omfattande försök med olika värmebehandlingstider för flera olika stålsorter har därefter gjorts på gjutprover tillverkade av deltagande gjuterier. Resultaten visar att betydligt kortare hålltider än dagens praxis kan användas utan att materialegenskaperna försämras. Förslag på ändrade värmebehandlingstider har presenterats och används redan av några av gjuterierna. Införande av ändrade/kortade hålltider kan införas utan kostnad (jämför installation av nya brännare) men kan ibland kräva godkännande av kund. Noggranna försök för att även se hur mycket upprampningstiderna kan snabbas på. 3
o Kommentar: Fullskaleförsök med oxyfuelbrännare har gjorts och utvärdering pågår. Målet bedöms kunna nås. Vid projektslut är målet för energibesparing 3,0 GWh/år och efter 5 år 5,0 GWh/år. o Kommentar: Pågår. Projektet visar att värmebehandlingstiderna kan kortas. Beräkning av vilken energibesparing detta kan ge och vad som kan uppnås hos gjuterierna har ännu inte gjorts. Det finns i dagsläget ingen anledning att revidera målet, se även diskussion i nästa avsnitt. 4.1 Energibesparingspotentialen För värmebehandling av stålgjutgods finns goda möjligheter att spara energi och minska utsläpp genom att korta värmebehandlingstiderna och använda energieffektivare utrustning. Tiderna kan kortas både genom att snabba på uppvärmningstiden till processtemperaturen och genom kortare hålltid vid temperatur. I föregående projekt, där oxyfuelbrännare studerades, uppnåddes c:a 60% energibesparing jämfört med konventionella airfuel-brännare. Mätningarna gjordes då över hela värmebehandlingscykeln, men med bibehållna hålltider vid temperatur. I detta projekt studeras även inverkan av hålltiden. T.ex. använder många stålgjuterier en s.k. tumregel med 1 timmas hålltid per tum godstjocklek. Vid värmebehandling av stora detaljer ger detta onödigt långa hålltider, ex.vis 4 timmar vid 100 mm tjocklek. Litteratur och praktiska försök visar att det räcker med 15-30 minuter totaltid för att uppnå full effekt av värmebehandlingen. Nya effektiva brännare, typ oxyfuel, kan kraftigt minska energibehovet vid värmebehandling. Sparmålet i projektet, 3 GWh/år vid projektslut, kan uppnås vid installation av sådana brännare vid 1-2 stålgjuterier. (Genomsnittlig totalförbrukning av gasol vid ett medelstort stålgjuteri motsvarar c:a 3,9 GWh, varav det mesta används för värmebehandling.) Investeringskostnaden har dock hittills bromsat installation hos stålgjuterierna. Det är då betydligt enklare att ändra processen genom att korta hålltiderna. Någon beräkning av hur stor denna energibesparing kan bli har ännu inte gjorts, men den är kanske 25 %. För att nå projektets energisparmål krävs sannolikt att fler stålgjuterier än de som deltar i projektet inför dessa nya rutiner. Genom att använda både ny brännarteknik och kortade hålltider kan mycket stora energibesparingar nås. 4.2 Projektets genomförande Tillsammans med deltagande stålgjuterier har ett antal stålsorter valts ut, från enklare seghärdningsstål till rostfria stål. Dessa har valts för att täcka förekommande värmebehandlingar. Projektet har inletts med litteraturgenomgång och insamling av värmebehandlingsdata, både från litteratur och från deltagarna. Inledande lab-försök har utförts för att undersöka lämpliga värmebehandlingstider enligt följande: Tillverkning av försöksmaterial hos deltagarna 4
Värmebehandlingsförsök med olika hålltider hos Swerea SWECAST Utvärdering av hållfasthet och struktur hos Swerea SWECAST (Kompletterande struktur- och korrosionsprovningar hos Swerea KIMAB.) Föreslagen bästa värmebehandlings-praxis för olika stålsorter. Fullskaleförsök hos gjuterierna Energikartläggning planerades att göras hos gjuterierna av Swerea SWECAST, AGA Gas tillsammans med deltagarna. Den visade sig svårt att genomföra p.g.a. att inga/få mätningar görs i processerna. Beräkning av förbrukningen blir osäker eftersom värmebehandlingsdata varierar mycket från gång till gång (olika värmebehandlingscykler, olika materialmängd, olika dimensioner osv.) och att gasol även används för andra ändamål som skänkförvärmning mm. Vi beslöt i stället att göra energimätningar vid försöken med oxyfuelbrännare. Detta kommer att jämföras med konventionella brännare vid värmebehandling av liknande gods. Mätningen görs med nyinstallerade flödesmätare. Försök med oxyfuelbrännare har gjorts som fullskaleförsök hos Smålands Stålgjuteri enligt följande: Fullskaleförsök vid värmebehandling av olika stålsorter. Uppmätning av energiförbrukning och uppvärmningshastigheter. Återställning av ugn och montering av flödesmätare för gasol. Jämförande mätningar vid användning av konventionella brännare. Utvärdering av mekaniska egenskaper och struktur hos det värmebehandlade godset. Ur fullskaleförsöken kan energiförbrukning med olika brännare och med användande av olika hålltider mätas. Resultaten kan också användas för att beräkna typisk energiåtgång för andra värmebehandlingscykler och stålsorter än de som har provats. Efter utvärdering informeras gjuterierna om bästa praxis och vilken energibesparingseffekt som är möjlig. Med kunskap som erhållits under projektet kan Swerea SWECAST hjälpa till vid införande av nya processdata. 4.3 Projektets ekonomi Uppföljning t.o.m. föregående årsskifte redovisas nedan: Budget, enligt ansökan (kkr) Utfall t.o.m. 2010-12-31 (kkr) Energimyndigheten 1 200 900 Motfinansiering 2 000 C:a 800 5
5 Informationsspridning Årliga, skriftliga lägesrapporter har lämnats till Energimyndigheten i enlighet med beslutsbrev. Muntliga presentationer har gjorts halvårsvis. Internt i projektet har deltagarna träffats tre gånger hos de deltagande företagen och haft några telefonmöten däremellan. Projektet presenterades för underleverantörer till värmebehandlare, SHTE, vid ett seminarie 2011-03-10 med ett tjugotal deltagare. Information om projektet finns tillgänglig på ENIG:s hemsida, www.enig.se 5.1 Publikationer En artikel som beskriver projektet är publicerad i tidningen Gjuteriet 2010/9. Fler artiklar kommer att skrivas när projektresultaten är klara. Presentation för gjuteriindustrin planeras. 6 Diskussion om projektets arbete i förhållande till uppsatta mål Projektet har i stort sett löpt på enligt ursprunglig plan men med försenad tidplan. Det bedöms att de uppsatta målen kommer att uppnås. Gjuterierna har visat stort intresse för projektet och dess resultat. I jämförelse med ursprunglig planering har aktiviteterna från deltagarnas varit lägre, kanske p.g.a. konjunkturuppgång med ökad beläggning. Utförandet av vissa delar av projektet, energikartläggningen, har planerats om när det visade sig svårt att få fram direkta uppgifter från gjuterierna. 7 Spin-offs Den teknik och kunskap som använts i projektet är väl känd. Att den trots det inte tidigare har införts kan bero på att värmebehandling är en komplex process, som samtidigt inte är ett kärnområde för gjuterierna. Konsekvenserna av en felaktig värmebehandling kan leda till omfattande omvärmebehandlingar eller i värsta fall kassation. Benägenheten för ett gjuteri att på egen hand förändra sin värmebehandlingsprocess är därför liten. Det har därför varit en styrka att driva förändringen som ett projekt tillsammans med andra och utbyta erfarenheter med gjuterier och institut. Mätning av gasolförbrukning förekommer knappast hos gjuterierna vilket gör det svårt att se effekten av energisparåtgärder. I projektet har flödesmätare installerats hos ett stålgjuteri, vilket förhoppningsvis kan få efterföljd hos andra. Vid uppvärmning av godset som ska värmebehandlas finns det stora temperaturvariationer inom och mellan detaljer. Detta innebär svårigheter att bedöma när godset är uppe i rätt temperatur. Studier/beräkningar av detta skulle ytterligare kunna effektivisera värmebehandlingen. 6
8 Slutsatser Projektet har legat efter tidplanen av olika skäl. De uppsatta målen för projektet bedöms inte behöva revideras. De planerade aktiviteterna kommer att genomföras som planerat. 7