docOptimerad värmebehandling av stålgjutgods
download 
Report Transcription
Optimerad värmebehandling av stålgjutgods
Rapport nr 2012-012 Optimerad värmebehandling av stålgjutgods Lennart Sibeck Swerea SWECAST AB Box 2033, 550 02 Jönköping Telefon 036 - 30 12 00 Telefax 036 - 16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se © 2012, Swerea SWECAST AB Swerea SWECAST AB Projekt nr Projekt namn 1831 Optimerad värmebehandling Status Intern Författare Rapport nr Datum Lennart Sibeck 2012-012_ 2012-11-19 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 200 – 400 MWh för ett mindre stålgjuteri och 400 – 850 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. Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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 200 to 400 MWh for a small steel foundry and 400 to 850 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. Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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 6 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 UNDERSÖKNINGAR .......................................................................................................... 8 6.1 VÄRMEBEHANDLINGSFÖRSÖK I LABSKALA; UTFÖRANDE .................................................... 8 6.1.1 Material .................................................................................................................... 8 6.1.2 Värmebehandlingsutförande ..................................................................................... 9 6.1.3 Provning.................................................................................................................. 10 6.2 LABFÖRSÖK, RESULTAT .................................................................................................... 10 6.2.1 Hållfasthetsprovning ............................................................................................... 10 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 9 Jämförelse tidigare försök med oxyfuel – airfuel .................................................... 36 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 10 VÄRMEBEHANDLINGSREKOMMENDATIONER .................................................... 40 11 SLUTSATSER ..................................................................................................................... 40 12 REFERENSER .................................................................................................................... 40 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilageförteckning Antal sidor Bilaga 1 Värmebehandlingsförsök i labskala hos Swerea SWECAST 6 Bilaga 2 Värmebehandlingsförsök med oxyfuelbrännare hos SSG 10 Bilaga 3 Uppföljning ordinarie värmebehandling med airfuelbrännare hos SSG 7 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 1 Tillkomst Denna rapport har tagits fram inom Swerea SWECAST:s forskningsprogram för energieffektiv gjutning 2009-2013. Rapporten utgör slutrapport för projektet Optimerad värmebehandling av stålgjutgods och är sammanställd av Lennart Sibeck, Swerea SWECAST AB. Projektet har delfinansierats av Energimyndigheten med 1 200 000 kr vilket utgör 38 % av den totala budgeten. Resterande 62 %, motsvarande 2 400 000 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 2011 tillsammans 22 500 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 080111) 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 Swerea SWECAST AB Hålltid 2012-012_ Processtemp Temp (°C) Uppvärmning Rapport nr Tid (h) 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 300 000 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 10 år efter projektslut effektivisera värmebehandlingen av stålgjutgods och därmed minska energianvändningen och förkorta 2 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ produktionstiden av detaljer i gjutstål. Vid projektslut är målet att 3,0 GWh/år har uppnåtts och efter fem år 5 GWh/år. Dessa förändringar kommer att ske stegvis, så att målen år 2012 och 2017 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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’) 900 – 1 100°C Lång Allt stålgjutgods (utom austenitiskt och duplext rostfritt) Normalisering 850-950°C Kort – (lång) Härdning 850-950°C Kort – (lång) Anlöpning 550-650°C Medel – (lång) Släckglödgning 1050-1150°C Kort – (lång) Rostfritt: austenitiskt+ duplext Mjuk-/avspänningsväteglödgning 525-750°C Lång Vid behov -”Seghärdningsstål, härdbara rostfria stål -”- 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 (10-20 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 200°C och högtemperaturanlöpning vid 550-650°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 Swerea SWECAST AB • Rapport nr 2012-012_ 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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: 0,5 min per mm godstjocklek, dock minst 10 min och max 30 min • Höglegerade kromstål: 0,5 min per mm godstjocklek, dock minst 10 min och max 60 min • Varmarbetsstål: 13-30 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 20 min hålltid vid härdning av alla stål, oberoende av dimension. 5.1.2 Anlöpning Anlöpning sker vid temperaturer mellan 200 till 650°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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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, 10 – 20 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 15-30 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 (h) - CB6 1.4405 2387 - 16-4 16-5-1 16-5-1 16-5-1 gjuten ASTM A 743 gjuten EN 10283 gjuten Österby smidd Avesta 980° -1 050°C 1 020° -1070°C 1 050°C 1 025°C 1h/tum 0,5 CA6NM 2RMO CA6NM 13-4-1 13-6-,5 13-4-1 gjuten ASTM A 743 smidd Bofors gjuten Sc Stavanger min 1 010°C 980°C 1 030°C 1 3 Det dominerande uppvärmningssättet hos stålgjuteriernas värmebehandlingsugnar är gasolbrännare (’air-fuel’). Det är vanligt med kombiugnar, dvs. samma ugn 7 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr 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 25-30×200 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 Låglegerade Höglegerade │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ Värmebeständiga stål │ │ │ │ Mn-stål Lågleg. CrMo- och Högleger. Rostfria CrNiMo-stål │ Mn-stål │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ Lågleg. Martensit- Ferrit- Austenit- Austeni- Utskiljn.- varmhåll- austenit- martensit- ferritiska tiska härdande fasta stål iska iska Duplexa SS 2387 SS 2302 SS 2324 SS 2333 (17-4PH) SS 2377 SS 2343 (15-5PH) │ │ Konstruk- Seghärd- tionsstål ningsstål SS 1305 SS 2120 SS 2225 SS 2223 SS 1306 SS 2172 KW160A SS 2224 SS 2183 SS 2234 SS 2244 SS 2245 SS 2541 SS 1505 SS 1606 SS 2353 SS 2366 SS 2564 Värmebehandlingar: GJGL NORM - GJGL - NORM/SEGHÄ - YTHÄ - GJGL - NORM - SEGHÄ - GJGL - NORM - SEGHÄ - SLÄCKGL - GJGL - NORM - SEGHÄ - GJGL - SEGHÄ - SLÄCKGL - SLÄCKGL Figur 3: Vanliga gjutstålslegeringar med värmebehandlingar. De material som undersökts är markerade med blått. 8 - UPPLÖSN - ÅLDR Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Tabell 3: Undersökta stålsorter och tillverkande gjuteri Stålsort SS-EN Gjuteri Märkning SS 2225 26CrMo4 SSG 9005 SS 2387 1.4405 Österby SS 2377 1.4470 SSG 9039 -”- -”- Österby 6064, 6065, 6066 och 6067 6.1.2 Värmebehandlingsutförande Provämnen, fyrkant 20-25 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Tabell 4: Värmebehandlingsschema för labprover Stålsort Härdning Hålltider Anlöpning / Åldring Norm. 950°C / luft + 60 och 250 minuter 555°C / 2 h / luft 850°C / hålltid / vatten 30, 60 och 250 minuter 555°C / 2 h / luft SS 2387, Österby 1 000°C / hålltid / vatten 30, 60 och 270 minuter 600°C / 4,5 h / luft -”- 1 050°C / hålltid / vatten 30, 60 och 300 minuter 600°C / 4,5 h / luft -”- 1 030°C / hålltid / vatten 30 minuter 575°/600°/625°C SS 2225, SSG 850°C / hålltid / vatten -”- / 3 h / luft SS 2377, SSG *) 1 050°C / hålltid / vatten 15, 60 och 300 minuter - -”- 1 100°C / hålltid / vatten 15, 60 och 300 minuter - -”- 1 175°C / hålltid / vatten 15, 60 och 300 minuter - SS 2377, Österby 1 050°C / hålltid / vatten 0, 45, och 165 minuter - -”- 1 100°C / hålltid / vatten 0, 45, och 165 minuter - -”- 1 150°C / hålltid / vatten 0, 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 6892-1:2009 (dragprovning) resp. SS-EN 10 045-1 (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 2010-137). 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 30-60 min. Vid den längre hålltiden, 250 min, är alla värden lägre. Vid normalisering + seghärdning, figurerna 7-8, saknas resultat för den kortaste hålltiden. De 10 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr resterande resultaten visar något högre hållfasthet och seghet efter den längsta hålltiden. Värdena är dock lägre jämfört med enbart seghärdning. SS 2225 Hä: 850°C / vatten Rp, Rm (MPa) 1000 980 960 940 920 900 880 860 840 820 800 Rp Rm 30 60 250 Hålltid (min) Figur 5: SS 2225, härdat; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp0,2) efter austenitisering med olika hålltider. SS 2225 Hä: 850°C / vatten A5 70 A5, Z (%), KV (J) 60 Z 50 Charpy V 40 30 20 10 0 30 60 Hålltid (min) 250 Figur 6: SS 2225, härdat; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering med olika hålltider. 11 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ SS 2225 Norm: 950°C, Hä: 850°C / vatten, anlöp 1000 950 Rp, Rm (MPa) 900 850 Rp 800 Rm 750 700 30 60 250 Hålltid (min) Figur 7: SS 2225, normaliserat + härdat; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp0,2) efter austenitisering med olika hålltider. SS 2225 Norm: 950°C, Hä: 850°C / vatten, anlöp 70 60 A5, Z (%), KV (J) 50 40 30 A5 Z Charpy V 20 10 0 30 60 250 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, 1 000°C resp. 1 050°C, och med olika hålltider. Härdförsöken från den lägre temperaturen gav mycket lika resultat, oberoende av hålltid, figur 9-10. Vid den högre härdtemperaturen var hållfastheten (Rp och Rm) lika medan duktilitet och seghet var något högre efter hålltid 60 min, figur 11-12. Med ökande anlöpningstemperatur, figur 13, ökar segheten medan hållfastheten minskar. 12 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ SS 2387 Hä: 1 000°C / luft, anlö: 600°C 1200 Rp, Rm (MPa) 1000 800 600 Rp Rm 400 200 0 30 60 Hålltid (min) 300 Figur 9: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp0,2) efter austenitisering 1 000°C med olika hålltider. SS 2387 Hä: 1 000°C / luft, anlö: 600°C A5, Z (%), KV (J) 50 40 A5 Z Charpy V 30 20 10 0 30 60 Hålltid (min) 300 Figur 10: SS 2387; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering 1 000°C med olika hålltider. 13 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ SS 2387 Hä: 1 050°C / luft, anlö: 600°C 1200 Rp, Rm (MPa) 1000 800 600 Rp Rm 400 200 0 30 60 300 Hålltid (min) Figur 11: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp0,2) efter austenitisering 1 050°C med olika hålltider. SS 2387 Hä: 1 050°C / luft, anlö: 600°C A5, Z (%), KV (J) 50 A5 Z Charpy V 40 30 20 10 0 30 60 Hålltid (min) 300 Figur 12: SS 2387; förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter austenitisering 1 050°C med olika hålltider. 14 Rapport nr SS 2387 Hä: 1 030°C / 30 min / luft, anlö: 3 h 1200 Rp, Rm (MPa) 1000 80 Rp 70 Rm 60 A5 50 800 600 40 Z 400 2012-012_ 30 Charpy V 200 20 10 0 550 570 590 610 Anlöp-temp (°C) 630 A5, och Z (%), KV (J) Swerea SWECAST AB 0 650 Figur 13: SS 2387; brottgräns (Rm) och sträckgräns Rp0,2) , förlängning (A5), kontraktion (Z) och slagseghet (KV) efter anlöpning vid olika temperaturer. 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. 100 2377 (SSG) - slagseghet efter upplösningsbehandling vid olika temp / tid 1175°C 1100°C 1050°C KV -40°C (J) 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 Hålltid (min) Figur 14: SS 2377- SSG; slagseghet (KV) vid -40°C efter släckglödgning från olika temperaturer och efter olika hålltider. 15 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 2377 (ÖGAB) - slagseghet efter upplösningsbehandling vid olika temp / tid 160 KV -40°C (J) 140 120 1150°C 100 1100°C 80 1050°C 60 40 20 0 0 50 100 150 200 Hålltid (min) Figur 15: SS 2377- ÖGAB; slagseghet (KV) vid -40 °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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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 (~1400oC) bidrar i sin tur till bildningen av NOx. 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 750oC 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 NOx-bildningen med 50% jämfört med luftbrännare. 17 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Figur 18: Flamlös Oxyfuel Utrustningen som har använts vid försöken, Oxygon 400®, är ett standardiserat brännarsystem med den flamlösa oxyfueltekniken. Systemet har en nominell effekt på 400 kW, men kan ställas in mellan 200-500 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 400® 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 500°C till 1150°C. Ugnen, av fabrikat ’Danlof’, är normalt utrustad med två gasolbrännare och installerades för c:a 10 år sedan. Invändiga ugnsdimensioner är botten c:a 2 × 2, 5 m och höjd 1,5 m, volym c:a 7,5 m3. 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 080111). 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 2011. 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ både härdning, normalisering, anlöpning och släckglödgning vid temperaturer från 5-600° till 1 150°C. Vid försöken användes en oxyfuelbrännare Oxygon 400® från AGA, se även föregående avsnitt, med maxeffekt 370 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 19-20. 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 (°C) Nominell hålltid (h) 1-1 SS 2225 Härdning 900 30 1-2 ” Anlöpning 700 90 2 SS 2172 Normalisering 950 30 4-1 SS 2225 Härdning 900 90 4-2 ” Anlöpning 700 90 5-1 SS 2225 Härdning 900 30 5-2 ” Anlöpning 700 90 6-1 SS 2225 Härdning 900 60 6-2 ” Anlöpning 750 90 7 SS 2377 1 100 30 Släckglödgning 19 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Figur 19: Ventiler och styrning syrgas och gasol till oxyfuelbrännare (övre bild). Oxyfuelbrännare monterad på sidan av ugnen hos SSG (nedre bild). 20 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Figur 20: 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 Nm3 gasol väger 2 kg). Efter behandling av mätdata fördes de över till Excel-format. Data för alla körningar visas i bilaga 2-1 till 2-10. 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 80°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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 1200 600 1000 500 800 400 600 300 400 200 200 100 Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) SS 2377 - släckglödgning 1 100°C 0 0 00:00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 01:45:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp fram (°C) Effekt (kW) Energi (kWh) Figur 21: Släckglödgning av 2377 med oxyfuelbrännare hos SSG (försök 7, bilaga 2-10). 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, 70-80 %, används för uppvärmning av godset, se figur 23. Energianvändningen vid uppvärmning ökar kraftigt med ökande temperatur, se figur 24, och är minst 60-70 % 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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 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 (°C) 900 900 900 900 950 Avsedd hålltid (min) 30 90 30 60 30 Kall/varm ugn: starttemp (°C) Kall - Varm: 350 Varm: 550 Varm; 400 Verklig sluttemp (°C) 920 935 901 929 971 Verklig hålltid (h:mm) 0:52 1:30 1:11 1:00 0:33 Totaltid (h:mm) 2:37 - 2:03 1:54 1:38 Uppvärmnings tid (h:mm) 1:45 - 0:52 0:54 1:05 Total energi (kWh) 671 - 375 330 336 - 311 228 306 30 Vbh-nr/Bilaga Vikt (ton) Energi uppv (kWh) 610 1) 2) Energi hålltid (kWh) 61 > 91 64 102 Total gasol 3 (Nm ) 26 - 15 13 13 Total syrgas 3 (Nm ) 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 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 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 2-10 Stålsort 2225 2225 2225 2225 2377 Temp (°C) 700 700 700 700 1 100 Avsedd hålltid (min) 60 90 90 60 10 Kall/varm ugn:starttem p (°C) Varm: 700 Varm: 700 Varm: 250 Varm: 650 Varm 500 Verklig temp (°C) 718 746 710 729 1 102 Verklig hålltid (h:mm) 1:17 1:12 1:24 0:58 0:10 Totaltid (h:mm) 2:03 2:02 2:39 1:23 1:21 Uppvärmnin gstid (h:mm) 0:46 0:50 1:15 0:25 1:11 Total energi (kWh) 276 257 226 - 373 Energi uppvärmnin g (kWh) 188 232 159 - 359 Energi hålltid (kWh) 88 25 67 - 14 Total gasol 3 (Nm ) 11 10 9 - 14 Total syrgas 3 (Nm ) 55 51 45 - 74 Vikt (ton) 1) 1) Mkt. hög styrtemperatur under uppvärmning gav låg effekt under hålltiden. 24 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Tabell 8: Medelvärde av olika typer av värmebehandling med oxyfuelbrännare. (Gråmarkerade värden har använts i de följande figurerna.) Medel härdning, 1) normalisering Medel anlöpning Uppvärmn-tid (h:mm) 1:09 0:45 1:11 Medeltemp (°C) 930 725 1102 Medel-hålltid (h:mm) 1:01 1:13 0:10 Total energi (kWh) 428 (347) 253 (251) 373 Energi (kWh) 364 (282) 193 (174) 359 Energi hålltid (kWh) 70 (72) 60 (78) 14 Energi uppv (%) 84 (81) 76 (69) 96 Energi hålltid (%) 17 (19) 24 (31) 4 311 (298) 217 (186) 303 68 (68) 46 (59) 84 17 (14) 10 14 85 (68) 50 74 uppvärmning Energi / uppv-tid (kWh/h) Energi / hålltid (kWh/h) 3 Total gasol (Nm ) 3 Total syrgas (Nm ) Släckglödgning 2) 1) Värden inom parentes är exkl. härdning nr 1 (med start från kall ugn) 2) Exkl. anlöpning nr 2 (med hög övertemperatur vid uppvärmningen) 400 Energianvändning i kWh för olika värmebehandlingar (oxyfuel) 350 Energi (kWh) 300 250 200 150 100 50 0 Anlöpning Härdning Energi vid uppvärmning (kWh) Släckglödgning Energi vid uppnådd temp (kWh) Figur 22: Energianvändning (medel) för de olika värmebehandlingarna (oxyfuel). 25 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Energi i % för olika värmebehandlingar (oxyfuel) 100 90 80 Energi (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 Anlöpning Härdning Energi uppv (%) Släckglödgning Energi hålltid (%) Figur 23: Fördelning av energianvändning på uppvärmning resp. varmhållning för de olika värmebehandlingarna (oxyfuel). Medelenergi vid uppvärmning vs. medel slut-temperatur (oxyfuel) 400 350 Energi (kWh) 300 250 200 150 100 50 0 600 700 800 900 1000 1100 Figur 24: Energianvändning för uppvärmningsdelen vid olika sluttemperaturer (oxyfuel). 26 1200 Swerea SWECAST AB Effekt = energi per timma hålltid (kWh/h) 100 Rapport nr 2012-012_ Medeleffekt vid hålltid vs. medel hålltemperatur (oxyfuel) 90 80 70 60 50 40 30 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperatur (°C) Figur 25: Medeleffekt under varmhållning vid olika sluttemperaturer (oxyfuel). 700 Uppvärmningsenergi härdning vs. ugnstemp vid start (oxyfuel) Uppvärmningsenergi (kWh) 600 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 Ugnstemperatur vid start (°C) 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. 27 600 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ 1200 900 Släckglödgning 2377 1100 1000 750 900 800 600 700 600 450 500 400 300 300 200 150 100 0 0 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) 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 Nm3 gasol väger 2 kg). Ett exempel på resultat visas i figur 27 med temperatur, energi och medeleffekt. Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Energi (kWh) Figur 27: Släckglödgning av 2377 med airfuelbrännare hos SSG (försök 1, bilaga 3-1). Mätningarna gjordes under våren-sommaren 2012 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 80-90 % av den totala energianvändningen, se figur 29. Uppvärmningsenergin ökar med ökande värmebehandlings-temperatur, liksom även medeleffekten för att hålla uppnådd temperatur, se figur 30-31. 28 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Tabell 9: Sammanställning av airfuelresultat från härdning och normalisering Härdning Normalisering Högtemp 3.1 / bil 3-3 5 / bil 3-6 6 / bil 3-7 Stålsort 2225 2172 2225 Temp (°C) 950 850 950 Avsedd hålltid (min) 30 60 75 0,45 0,63 939 850 950 Totaltid (h:mm) 02:30 03:00 02:45 Uppvärmning (h:mm) 02:30 01:50 02:00 Verklig hålltid (h:mm) 00:00 01:00 00:45 Total energi (kWh) 464 357 310 Energi uppv (kWh) 464 300 271 Energi hålltid (kWh) 0 Vbh-nr/Bilaga Vikt (ton) Kall/varm ugn (°C) Verklig sluttemp (°C) 57 39 Energi uppv (%) 84% 87% Energi hålltid (%) 16% 13% 186 164 136 57 49 18 14 12 Energi / uppv-tid (kWh/h) Energi / hålltid (kWh/h) Total gasol (Nm3) Tabell 10: Sammanställning av airfuelresultat från anlöpning och mjukglödgning och släckglödgning Vbh-nr/Bilaga Anlöpning 1 Mjukgl 1 Släckglödg. 1 Släckglödg. 2 3.2 / bil 3-4 2 / bil 3-2 1 / bil 3-1 4 /bil 3-5 Stålsort 2225 8002 2377 2377 Temp (°C) 700 800 1 030 1 130 Avsedd hålltid (min) 30 30 30 820 1 028 1 120 02:00 04:30 - 03:45 Vikt (ton) Kall/varm ugn (°C) Verklig temp (°C) 690 Totaltid (h:mm) Uppvärmning (h:mm) 01:45 02:00 Verklig hålltid (h:mm) 00:30 00:00 Total energi (kWh) 414 359 824 603 Energi uppv (kWh) 386 359 758 584 28 0 66 19 Energi hålltid (kWh) 00:45 Energi uppv (%) 93% 92% Energi hålltid (%) 7% 8% Energi / uppv-tid (kWh/h) 221 Energi / hålltid (kWh/h) 56 Total gasol (Nm3) 16 180 14 29 02:30 00:15 202 234 88 76 32 23 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Tabell 11: Medelvärde av olika typer av vbh med airfuelbrännare. Medel härdning, normalisering Anlöpn. + mjukglödg. Medel släckglödgning 02:45 01:52 04:30 Medeltemp (°C) 913 755 1074 Medel-hålltid (h:mm) 0:52 0:30 0:30 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) 186 201 218 Energi / hålltid (kWh/h) 75 56 82 15 15 28 Uppvärmn-tid (h:mm) 3 Total gasol (Nm ) 800 Energianvändning vs. vbh-typ (air-fuel) 700 Energi (kWh) 600 500 400 300 200 100 0 Anlöpning Härdning Energi vid uppvärmning (kWh) Släckglödgning Energi vid uppnådd temp (kWh) Figur 28: Energianvändning (medel) för de olika värmebehandlingarna (air-fuel). 30 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Energi (%) Energi i % vs. vbh-typ (air-fuel) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Härdning Släckglödgning Energi uppv (%) Energi hålltid (%) Figur 29: Fördelning av energianvändning på uppvärmning resp. varmhållning för de olika värmebehandlingarna (air-fuel). Medelenergi vid uppvärmning vs. medeltemp (air-fuel) 800 700 Energi (kWh) 600 500 400 300 200 100 0 600 700 800 900 1000 1100 1200 Figur 30: Energianvändning för uppvärmningsdelen vid olika sluttemperaturer (air-fuel). 31 Effekt =energi per timma hålltid (kWh/h) Swerea SWECAST AB 100 Rapport nr 2012-012_ Medeleffekt vid hålltid vs. medel hålltemperatur (airfuel) 90 80 70 60 50 40 30 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperatur (°C) Figur 31: Medeleffekt under varmhållning vid olika sluttemperaturer (air-fuel). 8.5 Jämförelse oxyfuel – airfuel Vid en jämförelse mellan oxyfuel- och konventionella airfuelbrännare är det mest intressant att jämföra skillnader i uppvärmningshastigheten och total energianvändning. Snabbare uppvärmning ger kortare värmebehandlingstider vilket gör att mer gods kan värmebehandlas på kortare tid. Lägre energianvändning kan, förutom energibesparing, ge lägre värmebehandlingskostnader och minskade utsläpp. I figur 32-34 visas några jämförande exempel på temperaturförlopp och energianvändning för de olika värmebehandlingarna; anlöpning, härdning och släckglödgning. Temperaturen är lägst för anlöpning och högst för släckglödgning. Ur figurerna syns att tiden för att komma upp i temperaturen är betydligt kortare vid användning av oxyfuelbrännare, framförallt vid högtemperatur-värmebehandlingarna. Den totala energianvändningen är också markant lägre med oxyfuelbrännare. 32 Swerea SWECAST AB Rapport nr 900 Anlöpning 2225 800 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 Energi (kWh) Temperatur (°C) 900 2012-012_ 0 03:00 Tid (h) Oxy-ugnstemp Oxy-godstemp Air-godstemp Air-energi Oxy-energi 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 02:30 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 03:00 Air-energi Oxy-energi Härdning 2225 00:30 01:00 01:30 02:00 Tid (h) Oxy-ugnstemp Oxy-godstemp Air-godstemp Figur 33: Härdning: jämförelse temperaturförlopp och energianvändning vid oxy- resp. air-fuelbrännare 33 Energi (kWh) Temperatur (°C) Figur 32: Anlöpning; jämförelse temperaturförlopp och energianvändning vid oxy- resp. air-fuelbrännare (endast uppvärmningsdelen finns med för airfuelmätningen). 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 2012-012_ Rapport nr 900 Släckglödgning 2377 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 0 05:00 Tid (h) Oxy-ugnstemp Oxy-godstemp Air-godstemp Air-energi Oxy-energi Figur 34: Släckglödgning: jämförelse temperaturförlopp och energianvändning vid oxy- resp. air-fuelbrännare Tabell 12: Jämförelse mellan airfuel- och oxyfuelbrännare för olika värmebehandlingar. Härdning, normalisering Anlöpning Släckglödgning Airfuel Oxyfuel Airfuel Oxyfuel Airfuel Oxyfuel 02:45 1:09 1:52 0:45 4:30 1:11 Medeltemp (°C) 913 930 755 725 1 074 1102 Medel-hålltid (h:mm) 0:52 1:01 (0:30) 1:13 0:45 0:10 Total energi (kWh) 530 347 440 251 714 373 Energi uppv (kWh) 464 282 373 174 671 359 Energi hålltid (kWh) (53) 72 (28) 78 66 14 Energi uppv (%) 85 81 - 69 92 96 Energi hålltid (%) 15 19 - 31 8 4 Medeleffekt uppv. (kW) 186 298 201 186 218 303 Medeleffekt (kW) 75 68 (56) 59 82 84 (15) 14 15 10 28 14 - 68 - 50 - 74 Uppvärmn-tid (h:mm) hålltemp. 3 Total gasol (Nm ) 3 Total syrgas (Nm ) Understrukna värden är beräknade. Figurerna ovan visade exempel på enstaka värmebehandlingar. I tabell 12 och figur 35-36 jämförs medelvärden för de olika värmebehandlingarna. Vid ex. vis härdning minskar uppvärmningstiden med mer än 50 %; från 2,5 timme till drygt 1 timma vid användning av oxyfuel- i stället för airfuelbrännare. För högre temperaturer (släckglödgning) är minskningen i uppvärmningstid än mer markant, 34 Energi (kWh) Temperatur (°C) Swerea SWECAST AB Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ se figur 35. Energin för uppvärmning minskar också till omkring hälften med oxyfuelbrännare, figur 36-37. Vid dessa försök var energianvändningen under den egentliga värmebehandlingen, varmhållningsdelen, ungefär lika eller något lägre för oxyfuel- jämfört med airfuelbrännare; underlaget är här något bristfälligt, figur 38. Den totala energianvändningen vid användningen av oxyfuelbrännare är 50-60 % jämfört med konventionella airfuelbrännare. 04:48 Uppvärmningstid för olika brännare Uppvärmningstid (t:mm) 04:19 03:50 03:21 02:52 02:24 01:55 01:26 00:57 00:28 00:00 Anlöpning Härdning Oxyfuel Släckglödgning Airfuel Figur 35: Jämförelse av uppvärmningstiden till sluttemperatur för olika brännare. 800 Uppvärmningsenergi för olika brännare 700 Energi (kWh) 600 500 400 300 200 100 0 Anlöpning Härdning Oxyfuel Släckglödgning Airfuel Figur 36: Jämförelse av energianvändning under uppvärmning för olika brännare. 35 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Medelenergi vid uppvärmning vs. medeltemp 800 700 Energi (kWh) 600 500 400 300 200 100 0 600 700 800 900 Oxyfuel 1000 1100 1200 Airfuel Figur 37: Energianvändning under uppvärmning vs. sluttemperatur för olika brännare. Effekt under hålltid (kW) 100 Medeleffekt vid hålltemp 90 80 70 60 50 40 30 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperatur (°C) Oxyfuel Airfuel Figur 38: Effekt under varmhållningsdelen för olika brännare. 8.5.1 Jämförelse tidigare försök med oxyfuel – airfuel I den föregående undersökningen hade energimätningar gjorts vid härdning av SS 2387. Vid dessa försök hade annan ugn och andra värmebehandlingstider använts så energianvändningen kan inte direkt jämföras, men besparingen med oxyfuel gentemot air-fuel går att jämföra. Med oxyfuelbrännare uppgavs energianvändningen för hela härdcykeln minska med c:a 60 %, dvs. något större än vid de aktuella mätningarna. Med oxy-fuelbrännare kortades uppvärmningstiderna kraftigt; ugnen nådde sluttemperaturen efter c:a 1/3 av tiden och godset efter c:a ½ tiden jämfört med air-fuelbrännare. Till skillnad mot de 36 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ aktuella mätningarna var energiåtgången under hålltiden markant lägre vid användning av oxy-fuelbrännare. Vid de aktuella försöken användes överlag kortare hålltider vilket kan förklara en del av skillnaden i minskad energianvändning mellan nuvarande och tidigare mätningar. 9 Energibesparing 9.1 Beräkning av energibesparing - oxyfuelbrännare I detta avsnitt görs en uppskattning av hur mycket energianvändningen kan minska för ett stålgjuteri vid övergång till oxyfuelbrännare. I tidigare avsnitt, se tabell 12, visades att energi-användningen för oxyfuelbrännare är 40-50 % lägre än för vanliga brännare. Eftersom gasolförbrukningen för värmebehandlingar inte är känd, så har i stället årsförbrukningen beräknats från energimätningarna för de enskilda värmebehandlingarna. För ett stålgjuteri som SSG kan man anta att man gör ungefär lika många anlöpningar, härdningar och släckglödningar per år. Den genomsnittliga energin för dessa värmebehandlingar beräknas till c:a 610 kWh/vbh med airfuelbrännare och c:a 325 kWh med oxyfuelbrännare. Detta motsvarar en genomsnittlig besparing på 285 kWh per värmebehandling vid övergång till oxyfuelbrännare. I snitt görs 2-3 värmebehandlingar per dag, vilket med 220 arbetsdagar / år ger en årlig besparing på c:a 125 – 250 MWh, motsvarande 10-20 ton gasol. Om antalet högtemperaturbehandlingar är större än lågtemperaturbehandlingarna (anlöpning) så blir besparingen större. Större godsmängder i ugn eller grövre godsdimensioner ger ännu större besparingar, vilket bekräftas av de större energiskillnaderna vid mätningarna i föregående projekt hos Österby Gjuteri, se föregående avsnitt. Förutom energibesparing så kortas värmebehandlingscykeln vid användning av oxyfuel-brännare. Uppvärmningstiden kortas med 1-2 timmar, vilket ger möjligheter att hinna med ytterligare 1-2 värmebehandlingar/skift. Vid användning av oxyfuelbrännare så tillkommer en kostnad för syrgas. Förbrukningen av syrgas har angetts i utvärderingstabellerna men kostnaden för denna har inte beräknats. 9.2 Beräkning av energibesparing – kortare hålltid I tidigare avsnitt med lab-försök diskuterades och testades inverkan av hålltiden vid temperatur på materialegenskaper. Traditionellt används ofta ”tumregeln”, dvs. hålltid 1 timma per tum gods. Detta ger för grovt gods onödigt långa hålltider; upp till flera timmar. Som visades i tidigare avsnitt är det för de flesta typer av värmebehandlingar tillräckligt med 30-60 min hålltid för att få god effekt. Den årliga energibesparingen kan beräknas på liknande sätt som för oxyfuelbrännare, genom att utgå från de enskilda värmebehandlingarna. Med hjälp av de utförda energimätningarna kan energianvändning beräknas för olika hålltider. I tabell 12 angavs medeleffekt för varmhållning av godset vid de olika värmebehandlingstemperaturerna. I följande tabell 13 och figur 39 visas beräknad energi för varmhållning med hålltider längre än den nödvändiga tiden, dvs. jämförelse mellan ”tumregeln” och ”ideal” tid. Idealtiden har satts till 1 h vid anlöpning, 30 min vid härdning och 15 min vid släckglödgning. Man ser att den extra energianvändningen med längre hålltider snart blir betydande. 37 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Tabell 13: Beräknad energianvändning under varmhållningsdelen vid olika hålltider för de olika värmebehandlingarna - oxyfuelbrännare. Anlöpning Härdning, normalisering Släckglödgning Oxyfuel Oxyfuel Oxyfuel 59 68 84 1:00 0:30 0:15 Energi vid ideal hålltid (kWh) 59 34 21 Energi efter 1h hålltid(kWh) - 68 84 ” 2h ” 118 136 168 ” 4h ” 236 272 336 ” 5h ” 295 340 420 ” 6h ” 354 408 504 ” 8h ” 472 544 672 ” 9h ” 531 612 756 ” 10h ” 590 680 840 Medeleffekt vid hålltemp (kW) Idealtid (t:mm) 900 Total energianvändning efter olika hålltider (oxyfuel) 800 Energi (kWh) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 Hålltid vid temperatur (h) Släckglödgning Härdning, normalisering Anlöpning Figur 39: Beräknad energianvändning vid olika hålltider för de olika värmebehandlingarna. Om man vill beräkna en årlig energibesparing vid användning av kortare hålltider så beror den förstås både på vilken godstjocklek som värmebehandlas och antalet värmebehandlingar. I tabell 13 visades energianvändningen för olika godsdimensioner med användning av ”tumregeln” (hålltiden 1 h/tum). Om man, som tidigare, antar att de olika typerna av värmebehandlingar (anlöpning, härdning och släckglödgning) är lika förekommande kan man använda ett medelvärde för dessa för att räkna fram en årlig energibesparing med användning 38 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ av kortare hålltider. Detta visas i figur 40 för fiktiva stålgjuterier som värmebehandlar klent gods (2”), resp. mellantjockt gods (5”) och resp. grovt gods (8”). Ur figuren framgår att det finns en hel del energi att spara genom att korta hålltiden vid temperatur; ju mer desto grövre gods och fler värmebehandlingar som görs. SSG värme-behandlar mestadels klent gods 2-5”. Beroende på antal värmebehandlingar blir besparingen vid förkortade hålltider mellan 75 till 150 MWh / år. Som jämförelse har även energi-minskningen vid användning av oxyfuelbrännare hos SSG lagts in. Denna är c:a 1,5 ggr så stor eller motsvarande 100 till 200 MWh / år. Energibesparing / år (MWh/år) 500 Energibesparing /år för olika alternativ 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 Antal vbh / dag Hålltid kortad från 8h (8") Hålltid kortad från 5h (5") byte från air till oxyfuel Hålltid kortad från 2h (2") Figur 40: Beräknad årlig energibesparing vid byte till oxyfuelbrännare resp. kortade hålltider. 9.3 Uppskattning av möjlig minskning av energianvändning I föregående avsnitt beräknades energibesparingen för ett stålgjuteri som gjuter och värmebehandlar mindre detaljer till 75-150 MWh / år om man kortar hålltiderna, dvs. går över från att använda ”tumregeln” till att använda kortast möjliga hålltid. För ett stålgjuteri som tillverkar grövre stålgjutgods kan besparingen på motsvarande sätt beräknas bli 2-3 ggr större eller 250 – 450 MWh / år. Vid övergång till oxyfuelbrännare så kan energianvändningen ungefärligen halveras. För ett stålgjuteri av SSG:s storlek motsvarar detta c:a 125 – 250 MWh minskad energianvändning per år. För ett stålgjuteri som gjuter grövre gods är minskningen i energianvändning större; kanske dubbelt så hög. En annan effekt är möjligheten till snabbare genomloppstider genom att uppvärmningstiden kortas radikalt. Den sammanlagda minskningen av gasol, med oxyfuelbrännare och kortare hålltider, motsvarar 200 – 400 MWh / år för ett mindre stålgjuteri och kanske 400 39 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ – 850 MWh / år 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. 10 Värmebehandlingsrekommendationer I projektet har hålltidens inverkan på hållfasthetsegenskaperna undersökts vid värmebehandling av några vanliga gjutstål. Resultaten bekräftar att användning av den sk. ”tumregeln” ger onödigt långa hålltider. I stället kan de hålltider vid temperatur som t.ex. rekommenderas i Karlebos värmebehandlingshandbok [1] användas: • • • • 15-30 min vid härdning 10 – 20 min vid normalisering c:a 15 min vid släckglödgning 1-2 h vid anlöpning Mer specifika tider för härdning av olika stålsorter ges i det inledande teoriavsnittet om värmebehandling. Processtekniska skäl kan innebära att hålltiderna modifieras, t.ex. kan det vara svårt att avgöra när godset kommer upp i rätt temperatur, varför man kan behöva lägga på en säkerhetsmarginal. Vid värmebehandling av grovt gods tar uppvärmningen av de sista 10-tals graderna så lång tid att en stor del av omvandlingarna redan har skett, vilket kan göra att hålltiderna kortas, osv. 11 Slutsatser Ett av projektets mål var att verifiera möjligheten att använda kortare hålltider vid värmebehandling av stålgjutgods. Detta har bekräftats för några representativa gjutstål och korta hålltider kan användas för dessa och andra stål. Förslag på värmebehandlingspraxis med lämpliga hålltider ges för olika värmebehandlingar. Ett annat mål var att undersöka potentialen till energibesparingen vid användning av oxyfuelbrännare i stället för konventionella air-fuelbrännare. Mätningar visar att oxyfueltekniken minskar energianvändningen med 40 – 60 %, dvs. i genomsnitt halverad förbrukning. 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 energieffektiviseringsåtgärder. Införs dessa åtgärder beräknas den årliga energiminskningen för värmebehandlingen till 200 – 400 MWh för ett mindre stålgjuteri och 400 – 850 MWh för ett större stålgjuteri. 12 Referenser [1] K-E Thelning, Stål och Värmebehandling, Karlebo 1985 [2] P F Wieser, Steel Castings Handbook, 5th Edition, Steel Founders Society of America, 1980 40 Swerea SWECAST AB Rapport nr Bilaga 1-1: Värmebehandlingsförsök i SWECAST SS 2225, Smålands Stålgjuteri labskala hos 2012-012_ Swerea Stålsort: SS 2225 Gjuteri: Smålands Stålgjuteri AB Värmebehandling: Normalisering: --Härdning: 850°C / hålltid / vatten Anlöpning: 555°C / 2 h Tabell 1-1-1: Resultat av drag- och slagprovning, härdning Hålltid Märk- Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Z (%) KV medel *) (J) (min) ning 30 1B 882 975 13,5 58 8,4 60 2B 885 978 14,0 57 6,1 250 3B 866 965 11,5 36 7,9 *) Medelvärde av tre prover Värmebehandling: Normalisering: 950°C / luft Härdning: 850°C / hålltid / vatten Anlöpning: 555°C / 2 h Tabell 1-1-2: Resultat av drag- och slagprovning, normalisering + härdning Hålltid Märk- (min) ning Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) 1) 1A A5 (%) 1) Z (%) 1) KV medel 2) (J) 1) 8,1 2A 815 928 12 52 6,1 3A 854 954 14,0 56 7,0 1) Misslyckad värmebehandling, 2) Medelvärde av tre prover 41 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 1-2: Värmebehandlingsförsök i labskala SWECAST SS 2387-1 000° - 1 050°C, Österby Gjuteri hos Swerea Stålsort: SS 2387 Gjuteri: Österby Gjuteri AB Kemisk analys: Tabell 1-2-1: Kemisk analys Stålsort C Si Mn P S Cr Ni Mo N Al 2387 Österby 0,044 0,61 0,82 0,019 0,005 16,20 4,74 1,06 0,071 0,07 Värmebehandling: Härdning: 1 000°C / hålltid / luft Anlöpning: 600°C / 4,5 h Tabell 1-2-2: Resultat av drag- och slagprovning, härdning 1 000°C Hålltid Prov- Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Z (%) KV medel *) (J) (min) nr 30 4 647 1 010 12,5 37 15 60 2 655 1 010 11,5 35 18 270 6 659 1 000 12,5 32 15 *) Medelvärde av tre prover Värmebehandling 1 050°C: Härdning: 1 050°C / hålltid / luft Anlöpning: 600°C / 4,5 h Tabell 1-3-2: Resultat av drag- och slagprovning, härdning 1 050°C Hålltid Prov- Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Z (%) KV medel *) (J) (min) nr 30 5 761 1 030 11,0 19 15 60 3 687 1 000 12,5 34 22 300 1 732 1 030 12,5 30 21 *) Medelvärde av tre prover 42 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 1-2, forts: Värmebehandlingsförsök i labskala hos Swerea SWECAST SS 2387, Österby Gjuteri, Mikrostruktur före värmebehandling. Mikrostruktur hos SS 2387 före värmebehandling: martensit och delta-ferrit (Kallings etsmedel). 43 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 1-3: Värmebehandlingsförsök i labskala hos Swerea SWECAST SS 2387-1 030°C och olika anlöpningstemperaturer, Österby Gjuteri Stålsort: SS 2387 Gjuteri: Österby Gjuteri AB Kemisk analys: Tabell 1-4-1: Kemisk analys Stålsort C Si Mn P S Cr Ni Mo N Al 2387 Österby 0,044 0,61 0,82 0,019 0,005 16,20 4,74 1,06 0,071 0,07 Värmebehandling: Härdning: 1 050°C / 30 min / luft Anlöpning: Anlöptemp / 3 h Tabell 1-4-2: Resultat av drag- och slagprovning, härdning 1 030°C/ 30 min Anlöp- Prov- Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) Z (%) KV medel *) (J) temp (°C) nr 575 12 717 1 050 12,5 36 12 600 32 661 1 000 13,0 33 15 625 71 610 986 14,0 42 16 *) Medelvärde av tre prover 44 Swerea SWECAST AB Rapport nr Bilaga 1-4: Värmebehandlingsförsök i SWECAST SS 2377, Smålands Stålgjuteri labskala hos 2012-012_ Swerea Stålsort: SS 2377 Gjuteri: Smålands Stålgjuteri AB Värmebehandling: Upplösningsbehandling: 1 050°C/1 100°C / 1 175°C hålltid / vatten Tabell 1-5: Resultat av slagprovning vid -40°C Temp Hålltid Märk- KV medel *) (J) (°C) (min) ning 1 050 15 SD 1 26 -”- 60 SD 2 26 -”- 300 SD 3 25 1 100 15 SD 4 51 -”- 60 SD 5 31 -”- 300 SD 6 32 1 175 15 SD 7 51 -”- 60 SD 8 37 -”- 300 SD 9 41 *) Medelvärde av tre prover 45 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Mikrostruktur före släckglödgning: ferrit (ljusare fas), austenit (vit fas) och utskiljningar (mörka partiklar); troligen sigmafas eller karbider. 46 Swerea SWECAST AB Rapport nr Bilaga 1-5: Värmebehandlingsförsök SWECAST SS 2377, Österby Gjuteri i labskala 2012-012_ hos Swerea Stålsort: SS 2377 Gjuteri: Österby Gjuteri AB Kemisk analys: Värmebehandling: Upplösningsbehandling: 1 050°C/ hålltid / vattensläckning 1 100°C/ hålltid / vattensläckning 1 150°C/ hålltid / vattensläckning Tabell 1-6: Resultat av slagprovning (dubbelprov) vid temperatur -40°C. Temp. Hålltid Märk- (°C) (min) ning 1 050 5 1 100 1 150 KV (J) KV medel (J) 51 >150 *2 > 150 45 61 34 - 50 42 165 71 24 - 33 28 5 52 >150 *2 > 150 45 62 33 - 39 36 165 72 26 - 26 26 5 53 >150 *2 > 150 45 63 >150 *2 > 150 165 73 >150 *2 > 150 *) Medelvärde av tre prover 47 *) Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-1: Värmebehandlingsförsök härdning 1, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 1-1 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Härdning 900°C / hålltid 30 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Brännaren slocknade pga. lågt syrgastryck mellan c:a 1:30 – 1:45 timmar. Tabell 2-1-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 2:37 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 1:45 0:52 1:33 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 916 880 920 Tabell 2-1-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 671 52 26 133 Uppvärmn.gods 610 47 24 121 Hålltid 61 5 2 12 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 1000 1000 SS 2225 - Härdning 900°C 900 800 800 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 03:00:00 0 03:30:00 Temperatur (°C) Regulator temp (°C) Prov temp (°C) Figur 2-1: Temperaturer och energianvändning 48 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW 900 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-2: Värmebehandlingsförsök anlöpning 1, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 1-2 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Anlöpning 700°C / hålltid 60 min / luft Anm.: Inläggning i varm ugn (c:a 700°C) från föregående härdning Tabell 2-2-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 2:03 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 0:46 1:17 0:13 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 760 460 718 Tabell 2-2-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 276 21 11 55 Uppvärmn.gods 188 15 7 37 Hålltid 88 6 4 18 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 600 800 500 SS 2225 - anlöpning 700°C 600 400 500 400 300 300 200 200 100 100 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 0 03:00:00 Tid (h) Regulator temp (°C) Prov temp (°C) Figur 2-2: Temperaturer och energianvändning 49 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) 700 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-3: Värmebehandlingsförsök normalisering, SS 2172 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 2 Stålsort: SS 2172 Värmebehandling: Normalisering 950°C / hålltid 30 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Restvärme (400°C) i ugn från föregående vbh Tabell 2-3-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 1:38 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 1:05 0:33 0:35 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 975/1 025 665 971 Tabell 2-3-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 336 26 13 66 Uppvärmn.gods 306 24 12 60 Hålltid 30 2 1 6 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 600 1200 SS 2172 - 950°C 500 800 400 600 300 400 200 200 100 0 00:00:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) 1000 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 Tid (h) Regulator temp prov Figur 2-3: Temperaturer och energianvändning 50 Effekt Energi 01:45:00 0 02:00:00 Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 2-4: Värmebehandlingsförsök härdning 2, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 4-1 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Härdning 900°C / hålltid 90 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Uppvärmningsförloppet ej loggat Tabell 2-4-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) - C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp - 1:30 - (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) - 935 Tabell 2-4-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt - - - - Uppvärmn.gods - - - - 7 3,5 18 Hålltid > 91 1) Gasolmängd * Syrgasmängd * 3 3 1) Loggning av energi efter 19 min hålltid. Extrapolering av energianvändningen. 1000 200 900 180 800 160 700 SS 2225 - härdning 900°C / 90 min (endast tid vid temp loggat) 140 600 120 500 100 400 80 300 60 200 40 100 20 0 00:00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 0 01:45:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Prov temp (°C) Figur 2-4: Temperaturer och energianvändning 51 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) *) Beräknade värden från energianvändning. Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-5: Värmebehandlingsförsök anlöpning 2, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 4-2 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Anlöpning 700°C / hålltid 90 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i varm ugn (c:a 700°C) från föregående härdning. Mkt hög styrtemp under uppvärmningen. Tabell 2-5-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 2:02 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 0:50 1:12 0:25 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 850 510 746 Tabell 2-5-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 257 20 10 51 Uppvärmn.gods 232 18 9 46 Hålltid 25 2 1 5 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning . 1000 500 SS 2225 - anlöpning 700°C / 90 min 450 800 400 700 350 600 300 500 250 400 200 300 150 200 100 100 50 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 0 03:00:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp (°C) Figur 2-5: Temperaturer och energianvändning 52 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) 900 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-6: Värmebehandlingsförsök härdning 3, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 5-1 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Härdning 900°C / hålltid 30 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i halvvarm ugn (c:a 350°C) från värmebehandling föregående Tabell 2-6-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 2:03 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 0:52 1:11 0:27 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 950 650 901 Tabell 2-6-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 375 29 15 74 Uppvärmn.gods 311 24 12 61 Hålltid 64 5 2,5 13 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 1200 600 1000 500 800 400 600 300 400 200 200 100 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 0 02:30:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp (°C) Figur 2-6: Temperaturer och energianvändning 53 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) SS 2225 - härdning 900°C / 30 min Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-7: Värmebehandlingsförsök anlöpning 3, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 5-2 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Anlöpning 700°C / hålltid 90 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i halvvarm ugn (c:a 250°C) från föregående härdning Tabell 2-7-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 2:39 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 1:15 1:24 0:20 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 710 100 710 Tabell 2-7-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 226 18 9 45 Uppvärmn.gods 159 12 6 31 Hålltid 67 5 2,6 13 3 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 400 SS 2225 - anlöpning 700°C 700 350 600 300 500 250 400 200 300 150 200 100 100 50 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 0 03:00:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp (°C) Figur 2-7: Temperaturer och energianvändning 54 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) 800 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-8: Värmebehandlingsförsök härdning 4, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 6-1 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Härdning 900°C / hålltid 60 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i halvvarm ugn (c:a 500°C) från föregående härdning Tabell 2-8-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 1:54 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 0:54 1:00 0:30 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 916 675 929 Tabell 2-8-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * Syrgasmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 330 26 13 65 Uppvärmn.gods 228 18 9 45 Hålltid 102 8 4 20 3 3 1000 500 900 450 800 400 700 350 600 300 500 250 400 200 300 150 200 100 100 50 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 0 02:30:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp fram (°C) Figur 2-8: Temperaturer och energianvändning 55 Effekt (kW) Energi (kWh) Energi (kWh) Temperatur (°C), effekt (kW) *) Beräknade värden från energianvändning. Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-9: Värmebehandlingsförsök anlöpning 4, SS 2225 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 6-2 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Anlöpning 700°C / hålltid 60 min / luft Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i varm ugn (c:a 600-700°C) från föregående härdning. Effekt och energi ej loggat. Tabell 2-9-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 1:23 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 0:25 0:58 0:10 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 900/700 200 729 Tabell 2-9-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * 3 (kg) (Nm ) Syrgasmängd * 3 (Nm ) Totalt Uppvärmn.gods - Hålltid - *) Beräknade värden från energianvändning. 1000 SS 2225 - anlöpning 700°C/60 min (energi ej loggat) 900 800 Temperatur (°C) 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00:00 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Figur 2-9: Temperaturer och energianvändning 56 Provtemp fram (°C) 01:30:00 01:45:00 Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-012_ Bilaga 2-10: Värmebehandlingsförsök släckglödning, SS 2377 med oxyfuelbrännare hos SSG Löp-nr: 7 Stålsort: SS 2377 Värmebehandling: Släckglödning 1 100°C / hålltid 10 min / vatten Detalj: Vikt: Anm.: Inläggning i halvvarm ugn (c:a 500°C) från föregående värmebehandling Tabell 2-10-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning (h) (h) 1:21 C:a-tid för godsuppvärmning (h) Hålltid vid temp 1:11 0:10 0:46 (h) Styrtemp ugn under uppvärmning Temp. i gods vid uppnådd ugnstemp. Temp i gods efter hålltid (°C) (°C) (°C) 1 160 1 000 1 102 Tabell 2-10-2: Energiåtgång Energiåtgång, (kWh) Gasolmängd * Gasolmängd * (kg) (Nm ) (Nm ) Totalt 373 29 14 74 Uppvärmn.gods 359 28 14 71 Hålltid 14 1,1 0,5 2,8 3 Syrgasmängd * 3 *) Beräknade värden från energianvändning. 1200 600 SS 2377 - släckglödgning 1 100°C 500 Temperatur (°C), effekt (kW) 1000 400 600 300 400 200 200 100 0 00:00:00 Energi (kWh) 800 00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00 01:15:00 01:30:00 0 01:45:00 Tid (h) Ugnstemp (°C) Provtemp fram (°C) Figur 2-10: Temperaturer och energianvändning 57 Effekt (kW) Energi (kWh) Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-1: Uppföljning ordinarie värmebehandling fuelbrännare hos SSG. Släckglödgning med air- Löp-nr: 1 Stålsort: 2377 Värmebehandling: Släckglödgning 1 030°C / hålltid 30min / vatten Detalj: Värmesköld, UP-0170 Vikt: Anm.: Tabell 3-1-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) 4:30 - 3:45 0:45 1 028 Tabell 3-1-2: Energiåtgång Gasolmängd Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt 32 64 824 800 Uppvärmn.gods 29 59 758 735 Hålltid 3 5 66 65 3 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Släckglödgning 2377 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-1: Temperatur, energianvändning och effekt 58 Energi (kWh) 0 05:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-2: Uppföljning ordinarie värmebehandling fuelbrännare hos SSG. Mjukglödgning med air- Löp-nr: 2 Stålsort: SSG 8002 Värmebehandling: Mjukglödgning 820°C / kontrollerad svalning Detalj: P-hjul, 10330-10424 Vikt: Anm.: Tabell 3-2-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) 7:15 - 2:00 - - Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt 28,5 57 737 713 Uppvärmn.gods 13,9 28 359 348 Hålltid (14,6) (29) (378) (365) Tabell 3-2-2: Energiåtgång Gasolmängd 3 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Mjukglödgning 8002 750 600 450 300 150 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-2: Temperatur, energianvändning och effekt 59 Energi (kWh) 0 08:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-3: Uppföljning ordinarie fuelbrännare hos SSG. Härdning värmebehandling med air- Löp-nr: 3-1 Stålsort: 2225 Värmebehandling: Härdning 950°C / hålltid 30min / vatten Detalj: Kreutzgelenk 10073 Vikt: Anm.: Mätningen avbruten efter kort hålltid Tabell 3-3-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) - - 2:30 - - Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) 18 36 464 450 Tabell 3-3-2: Energiåtgång Gasolmängd 3 3 Totalt Uppvärmn.gods Hålltid 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Härdning 2225 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-3: Temperatur, energianvändning och effekt 60 Energi (kWh) 0 03:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-4: Uppföljning ordinarie fuelbrännare hos SSG. Anlöpning värmebehandling med air- Löp-nr: 3-2 Stålsort: 2225 Värmebehandling: Anlöpning 700°C / hålltid 30min / luft Detalj: Kreutzgelenk 10073 Vikt: Anm.: Mätningen avbruten innan hålltiden är slut Tabell 3-4-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) - - 1:45 0:30 (700°) Tabell 3-4-2: Energiåtgång Gasolmängd Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt (16,0) (32) (414) (400) Uppvärmn.gods 15,0 30 386 375 Hålltid (1,0) (2) (28) (25) 3 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Anlöpning 2225 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-4: Temperatur, energianvändning och effekt 61 Energi (kWh) 0 02:30 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-5: Uppföljning ordinarie värmebehandling fuelbrännare hos SSG. Släckglödgning med air- Löp-nr: 4 Stålsort: 2377 Värmebehandling: Släckglödgning 1 130°C / hålltid 30min / vatten Detalj: Fiskebåtsdetalj Vikt: Anm.: Mätningen avbruten efter kort hålltid Tabell 3-5-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) 2:30 (0:15) 1 120 (2:45) Tabell 3-5-2: Energiåtgång Gasolmängd Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* 3 (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt (23) (47) (603) (585) Uppvärmn.gods 22,5 45 584 567 Hålltid (0,8) (1,5) (19) (18) 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Släckglödgning 2377 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-5: Temperatur, energianvändning och effekt 62 Energi (kWh) 0 03:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB Rapport nr Bilaga 3-6: Uppföljning ordinarie värmebehandling fuelbrännare hos SSG. Normalisering. 2012-012_ med air- Löp-nr: 5 Stålsort: SS 2172 Värmebehandling: Normalisering 850°C / hålltid 60 min / luft Detalj: Hjulgaffel Vikt: 450 kg Anm.: Tabell 3-6-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) 3:00 - 1:45-2:00 1:00 850 Tabell 3-6-2: Energiåtgång Gasolmängd Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt 14 28 357 346 Uppvärmn.gods 12 23 300 291 Hålltid 2 5 57 55 3 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Normalisering 2172 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-6: Temperatur, energianvändning och effekt 63 Energi (kWh) 0 03:30 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol. Swerea SWECAST AB 2012-012_ Rapport nr Bilaga 3-7: Uppföljning ordinarie värmebehandling fuelbrännare hos SSG. Högtemperaturbehandling. med air- Löp-nr: 6 Stålsort: SS 2225 Värmebehandling: Högtemperatur 950°C / hålltid 75min Detalj:Våglänk nedre Vikt: 630 kg Anm.: Tabell 3-7-1: Tider och temperaturer Total tid i ugn Tid för ugnsuppvärmning C:a-tid för godsuppvärmning Hålltid vid temp Temp i gods efter hålltid (h) (h) (h) (h) (°C) 2:00 0:45 950 2:45 Tabell 3-7-2: Energiåtgång Gasolmängd Gasolmängd * Energiåtgång * Luftåtgång* (Nm ) (kg) (kWh) (Nm ) Totalt 12 24 310 301 Uppvärmn.gods 10 21 271 263 Hålltid 2 3 39 38 3 3 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 00:00 900 Högtemperatur 2225 750 600 450 300 150 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 Tid (h) Godstemperatur (°C) Medeleffekt (kWh/h) Figur 3-7: Temperatur, energianvändning och effekt 64 Energi (kWh) 0 03:00 Energi (kWh) Temperatur (°C), medeleffekt (kWh/h) *) Beräknade värden från flödesmätning gasol.
