Optimering av hålltidstabeller vid Normaliseringsugnen

Optimization of the timetables at the Normalization oven Tommi Kivelö

EXAMENSARBETE Materialteknik 2005 Nr: E 3235

Bergsskolan Telefon: 0590 – 162 60 Box 173 Telefax: 0590 – 162 99 682 24 FILIPSTAD URL: http://www.bergsskolan.se

EXAMENSARBETE, C-nivå Materialteknik

Program Reg nr Omfattning Programmets namn, 120 p E 3235 10 p Namn Datum Tommi Kivelö 2005-06-02 Handledare Examinator Leif Bohlin Leif Bohlin Företag/Institution Kontaktperson vid företaget/institutionen Outokumpu Stainless AB, Hot Rolled Plate Jan Svensson Titel Optimering av hålltidstabeller vid Normaliseringsugnen Nyckelord Sammanfattning Analyserna av hålltiderna i Normaliseringsugnen visar att i de flesta fall kan hålltiderna förkortas, beroende på om man väljer att godkänna värmebehandlingen vid en temperatur 15C° eller 5C° under börvärdet. Om 5C° väljas kan det krävas att vissa ugnstider förlängs. Det finns ingen anledning att hålla övertid på plåtarna i ugnen, vilket kan leda till korntillväxt och ett sprött material. Undersökningen visar att övertiden ökar med plåttjockleken. Temperaturavvikelsediagrammet för värmebehandlingen visar att inom tjockleksintervallet 30mm - 50mm är temperaturdifferensen vid hålltidens slut störst gentemot börvärdet. Man bör dock komma ihåg att pyrometern endast mäter yttemperaturen. Kärntemperaturen är förmodligen något lägre och då krävs en viss övertid för att säkerställa en homogen temperatur genom hela plåten. Vid ett lyckat experiment med att plana en plåt, efter att ha värmt upp den till 650°°°°C, gjordes en simulering i dataprogrammet Steeltemp 2D. Simuleringen visar svalningskurvor för en given analyskod från 600°°°°C för olika plåttjocklekar. Temperaturen på experimentplåten vid inträdet i planmaskinen var 350°°°°C. Resultatet som redovisas i Steeltempdiagrammet visar att det inte finns risk att plåttemperaturen sjunker under 350°°°°C.

DEGREE PROJECT Material Engineering

Programme Reg number Extent Metallurgy and Materialtechnology E 3235 15 ECTS Name of student Year-Month-Day Tommi Kivelö 2005-06-02 Supervisor Examiner Leif Bohlin Leif Bohlin Company/Department Supervisor at the Company/Department Outokumpu Stainless AB, Hot Rolled Plate Jan Svensson Title Optimization of the timetables at the Normalization oven Keywords Summary The analysis of the timetables in the Normalization oven shows that in most cases, depending on wether you want to approve the heat treatment at a temperature 15°°°°C or 5°°°°C under the ought temperature, the heat treatment time can be shortened. If 5°°°°C is to be chosen some heat treatment times need to be extended. There is no reason to keep the sheets in the oven longer than necessary due to grain growth and embrittlement. The results show that the overtime increases with increasing sheet thickness. The diagram of temperature divergence shows that within the thickness interval 30mm– 50mm, the temperature difference is at its greatest as regards to the ought temperature for the heat treatment procedure. One should keep in mind that the pyrometer only measured the surface temperature. The core temperature is presumably somewhat lower. In that case some overtime in the oven is necessary to secure a homogeneus temperature in the sheet. After a successful experiment in leveling a sheet after heating it to 650°°°°C, a simulation was made in a computer program called Steeltemp 2D. The simulation shows cooling curves from a temperature of 600°°°°C for different thicknesess (5mm – 50mm) and a given steel composition. The temperature of the “real” steel sheet used showed that it held a temperature of 350°°°°C before entering the leveling machine. The results in the diagram made in Steeltemp 2D show that there is no risk that the sheet temperature will sink below 350°°°°C.

1

Innehållsförteckning 1 Inledning ..................................................................................................................sid 3 1.1 Förutsättning och bakgrund...............................................................................sid 3 1.2 Bakgrund ...........................................................................................................sid 3 1.3 Omfattning och avgränsning .............................................................................sid 3 2 Företagsbeskrivning.................................................................................................sid 4 2.1 Processkedjan vid HRP .....................................................................................sid 5 2.2 Stränggjutning ...................................................................................................sid 6 2.3 Valsning.............................................................................................................sid 6

2.4 Oxy-fuel-tekniken .............................................................................................sid 6 2.5 Värmebehandling ..............................................................................................sid 7-8 2.6 Varmplaning......................................................................................................sid 8

3 Litteraturstudie ........................................................................................................sid 8 3.1 Allmänt om rostfritt...........................................................................................sid 8 3.1.1 Ferritiska rostfria stål ....................................................................................sid 8 3.1.2 Austenitiska rostfria stål................................................................................sid 9 3.1.3 Martensitiska rostfria stål ..............................................................................sid 9 3.2 Termoelement....................................................................................................sid 9-10 3.3 Pyrometern ........................................................................................................sid 10-11

4 Genomförande ..........................................................................................................sid 12 4.1 Genomförande av hålltidundersökning .............................................................sid 13 4.2 Genomförande av varmplaningsundersökning..................................................sid 14 5 Resultat......................................................................................................................sid 13 5.1 Resultat av hålltidsundersökningen......................................................................sid 13-14 5.2 Resultat av varmplaningsundersökningen............................................................sid 14 6 Slutsats.......................................................................................................................sid 14 6.1 Undersökning av hålltiderna ................................................................................sid 14-15 6.2 Undersökning av varmplaningsförfarandet ..........................................................sid 15 7 Förslag till fortsatt arbete........................................................................................sid 15 7.1 Hålltiderna ............................................................................................................sid 15 7.2 Varmplaningen .....................................................................................................sid 15

2

8 Felkällor ....................................................................................................................sid 16 8.1 Undersökning av hålltiderna ................................................................................sid 16 8.2 Undersökning av varmplaningsförfarandet ..........................................................sid 16

9 Källhänvisningar ......................................................................................................sid 16 10 Bilagor .......................................................................................................................antal sidor 10.1 Processkedjan hos Outokumpu Stainless AB, Hot Rolled Plate .......................1 10.2 Modifierat Schaeffler-de Long diagram............................................................1 10.3 Kalibreringskurvan för pyrometern...................................................................1 10.4 Tabell.................................................................................................................2 10.5 Temperaturavvikelsediagram ............................................................................1 10.6 Övertidsdiagram (-15°C)...................................................................................1 10.6 Övertidsdiagram (-5°C).....................................................................................1 10.7 Diagram över Luftsvalningshastigheter ............................................................1 10.8 Exempel på tid/temp diagram ...........................................................................1

3

1. Inledning Som avslutning av högskoleingenjörsutbildningen inom Metallurgi och Materialteknik vid Bergsskolan i Filipstad genomfördes detta examensarbete på 10 poäng. Denna rapport är en del av detta examensarbete, och har utförts åt Outokumpu Stainless, Hot Rolled Plate i Degerfors. Jag vill tacka min handledare, Jan Svensson på HRP, samt alla andra på teknikavdelningen för all hjälp och stöd. Jag vill även rikta ett stort tack till min examinator Leif Bohlin samt ABB Industriunderhåll och alla operatörer vid Grängesugnarna.

1.1 Förutsättning och bakgrund För att styra upp repeterbarheten med avseende på kvalitet och produktivitet är ett delsteg att optimera befintliga hålltidtabeller vid Normaliseringsugnen i Västra färdigställningen. Tabellerna bygger på teoretiska modeller som togs fram vid konverteringen av ugnarna till Oxy-fuel teknik 1995.

För att undvika bildning av sigma-fas vill man undersöka förfarandet att värma plåten till en temperatur under sigma-fasbildningsområdet i samband med varmplaning.

1.2 Mål Att analysera befintliga teoretiska hålltider för plåtvärmebehandling med avseende på uppkörningstid, dimension, vikt och materialtemperatur genom praktiska mätningar av yttertemperatur med hjälp av en pyrometer. Ge förslag på förbättringar med avseende på hantering och kvalitet i samband med värmebehandlingsprocessen. Vidare studeras möjligheter att effektivisera varmplaningsförfarandet.

1.3 Omfattning och avgränsning Undersökningen omfattar värmebehandling i Normaliseringsugnen i Västra Färdigställningen. Den omfattar även problemställningen varmplaning av plåt på grund av oplanhet. Arbetet sker under normal produktion och i samarbete med HRP-produktion, HRP-teknik och ABB Industriunderhåll.

4

2. Företagsbeskrivning

Valsverket i Degerfors var ett av de första i hela Europa. Det hela tog sin början under 1600-talet då Georg Camitz från Schlesien fick privilegier att anlägga en stångjärnshammare vid "digra fors" i Letälven som sedan givit upphov till namnet Degerfors. Stångjärnshammaren kallades först Nedre Degerfors och därefter Degerfors järnverk. Degerfors järnverk har under åren haft många ägare och namn: Uddeholm AB (1939-1984), Avesta AB (1984-1992), Avesta Sheffield AB (1992-2001), AvestaPolarit och från januari 2004 ingår Degerfors i den finländska koncernen Outokumpu Stainless. Koncernen Outokumpu är uppdelad i två delar, varav den största heter Outokumpu Stainless och den andra Outokumpu Technology. Rostfritt stål är en av de snabbast växande marknaderna för metaller i hela världen och Outokumpu Stainless AB har där en framträdande position som en av de fyra största producenterna av rostfritt stål. Outokumpus anläggningar i Finland, Sverige, Storbritannien och USA producerar produkter i rostfritt stål inom områden som inkluderar t.ex. varm och kallvalsat, band, rör och långa ämnen. Outokumpu Stainless AB är i sin tur uppdelad i tre delar; Coil Products, Special Products och North America. Hot Rolled Plate i Degerfors tillhör Special Products. Man har idag ca 400 anställda och är specialiserade på att producera varmvalsade plåtar i längder på upptill 13000 mm och i bredder mellan 1000 mm – 3200 mm samt i tjocklekar mellan 5 mm – 105 mm. Vikten är på max 9 ton per plåt. Produktsortimentet är brett med dels rostfria standardstål och dels ett flertal rostfria specialstål för en rad olika applikationer och miljöer. Plåtarna säljs till kunder över hela världen men de största delarna går till Norden och Centraleuropa. Årsproduktionen år 2004 låg i Degerfors på 108.5 kton plåt. Viktiga kundsegment är bl.a. varvsindustrin, pappers- och massaindustrin samt olje- och gasindustrin.

5

2.1 Processkedjan vid HRP (Se även bilaga 1) Slabs tillverkas i Sheffield i England samt Avesta i Sverige och kommer med båt och med järnväg. Väl i Degerfors lastas de av och läggs upp efter en viss ordning. Slabsen tas in i sliphallen där de slipas och skäres ner till lämpliga dimensioner. Tjockare ämnen (över 250 mm) värms först i en gropugn och valsas därefter till mindre dimension, innan de hamnar i sliphallen. Efter sliphallen hamnar slabsen på ett lager, varifrån de med truck körs till en stegbalksugn. I stegbalken värms slabsen till ca 1200ºC för att de skall kunna varmvalsas. Valsningen sker i ett kvartoverk med 2 arbetsvalsar och 2 stödvalsar. Den färdigvalsade plåten går sedan till en varmsax, där ändarna klipps av och plåten ges ett identifikationsnummer. Värmebehandlingen är uppdelad i 2 stationer. Allt material som är över 30 mm tjockt samt plåtar som kräver hög värmebehandlingstemperatur, värmebehandlas i Grängesugnarna. Dessa består av en anlöpningsugn samt en glödgningsugn. Övriga plåtar värmebehandlas i en rullhärdugn. Plåtar som värmebehandlas i rullhärdugnen chargeras direkt i varmt tillstånd efter valsningen, och de plåtar som ska till grängesugnarna läggs på en svalbädd. Efter värmebehandlingen planas plåtarna för att sedan delas till kundformat. Denna delning kan ske antingen med plasmaskärning eller klippning i rullsax. För att plåten skall få de rätta korrosionsegenskaperna och få en fin yta måste den blästras och därefter betas. Detta sker i det s.k. bethuset där man antingen betar plåten i ett kar eller transporterar plåten genom en kontinuerlig betsträcka. Innan plåten kan skickas till kund gör man en sista kontroll av dimensioner samt ytfel. Plåten emballeras och ställs på bockar redo för leverans.

6

2.2 Stränggjutning

Stränggjutning är en metod för kontinuerlig gjutning av metaller. Metallsmältan tappas från skänken ner i en vattenkyld kokill, i vilket ett fast metallskal bildas. Dragvalsar drar ned detta ämne så att stelningsprocessen i kokillen kan fortsätta. Nedanför kokillen kyls skalet genom att vatten sprutas mot dess yta, varvid resten av metallsmältan stelnar. På detta sätt gjuts hela smältan kontinuerligt.(1)

2.3 Valsning

Valsning är en bearbetningsprocess där ämnet deformeras plastiskt mellan två roterande valsar. Valsning är den dominerande bearbetningsprocessen för tillverkning av en mängd produkter som stång, tråd, plåt och band. Valsning av metaller kan ske såväl varmt (ca 1000°C för stål) som kallt, det vill säga vid rumstemperatur. Varmvalsning utnyttjas för valsning av grövre tvärsektioner, t.ex. grovplåt och profiler för varvsindustrin, samt för tillverkning av balk, räls, ring och rör, medan kallvalsning används för tillverkning av t.ex. tunnplåt med tjocklek mindre än ca 2 mm.

Valsarna är tillverkade av gjutjärn eller stål. De kan vara släta eller försedda med spår, och man talar då om plattvalsning resp. spårvalsning.(8)(9)

Under valsningen deformeras plastiskt så att dess tjocklek minskar samtidigt som längden ökar. Varje passage genom valsspalten benämns ett stick. Valsarna som är i kontakt med ämnet kallas arbetsvalsar. För att förhindra att dessa böjs beroende på det höga trycket mot ämnet utnyttjas stödvalsar i olika arrangemang.(3)(9)

Valsverket i Degerfors är ett s.k. kvartovalsverk. Kvartoverk har 2 arbetsvalsar och 2 stödvalsar, vilket medför att man kan använda arbetsvalsar med liten diameter då valstrycket upptas av stödvalsarna.

2.4 Oxy fuel

I konventionellt eldade ugnar används bränsle i forma av olja eller gas i kombination med luft. Oxy-fuel-teknik innebär att man ersätter förbränningsluften med ren syrgas. Detta resulterar i en effektivare uppvärmning med minskade NOx-utsläpp.

De främsta fördelarna med oxy-fuel teknologin är:

• Ökad produktionstakt

• Miljövänligare

Viktigt vid användning av oxy-fuel är att man har en tät ugn samt övertryck i ugnen för att minimera inläckage av atmosfärsluft.(3)

7

2.5 Värmebehandling Värmebehandling är ett samlingsnamn för tekniska processer där värme används för att ge olika material eller produkter vissa önskade egenskaper. Genom att värma upp materialet och sedan kyla ned det eller låta det svalna kan önskad inre struktur och egenskaper uppnås. För att uppnå en bra värmebehandling måste man även ha en bra ugn. Ur produktionssynpunkt kan värmebehandlingsugnarna grovindelas i satsugnar och kontinuerliga ugnar. I satsugnar laddar man en omgång material och när det är klar tas det ut och en ny omgång laddas. Materialet ligger alltså still under behandlingen. I kontinuerliga ugnar förflyttas materialet genom ugnen och nytt fylls samtidigt på. Grängesugnarna i Degerfors är av sats-typ. Materialet laddas in och ut ur ugnarna med en så kallad laddare som löper på en räls.(8) Man kan i stort sett skilja mellan fyra olika slags värmebehandlingar; normalisering, glödgning, härdning och anlöpning.(1) Den värmebehandlingsmetod som används på HRP i Degerfors kallas upplösnings- värmebehandling. Den går ut på att plåtarna värm till runt 1100°C och hålls där en viss tid om det krävs. Anledningen till denna värmebehandling är att man vill upplösa alla sekundära faser som bildats samt för att ge plåten önskade korrosions- och mekaniska egenskaper. Sigma-fas är en sekundär fas som bildas genom diffusion vid höga temperaturer. Den anrikas på ställen som korngränser eller löper som stråk genom materialet. Sigma-fasen är extremt spröd och tätpackad, vilket kan orsaka sprickbildning. Fasen kan uppstå vid temperaturer mellan 400°C - 900°C beroende på C-halten i materialet. Av rostfria stål är de duplexa mest känsliga för utskiljning av sigma-fas.(3)(8)

Fig. 2.1fasdiagram över Fe-Cr systemet som visar vid vilken sammansättning ren sigma-fas och blandningar av

denna uppträder.(8)

8

Fig. 2.1 visar ett binärt fasdiagram över Fe-Cr systemet. Här kan man notera att sigma-fas och blandningar av denna förekommer vid Cr-halter mellan 25%-65%. (8)

2.6 Varmplaning Plåtar som efter värmebehandlingen är oplana, måste riktas. Detta sker genom en operation som kallas planing. Planingen sker i antingen kallt eller varmt tillstånd i en planingsmaskin, som består av ett hus med 9 st valsar; 4 på undersidan och 5 på ovansidan. Valsarna på undersidan är fastmonterade medan de övre går att styra vertikalt. Den yttre valsen på båda sidorna går dessutom att styra individuellt. Efter värmebehandlingen transporteras plåten på rullbana till planmaskinen. Precis innan den kommer till planmaskinen, går plåten igenom en roterande borste som tar bort slagg och keramrester från ugnen. När plåten väl är inne i planmaskinen, pressar operatören på plåten med de övre valsarna. De yttersta individuellt styrda valsarna styrs så att plåten inte ska böja sig efter varje stick. Antalet stick som behövs för att räta ut plåten varierar beroende på plåtens tjocklek och hur oplan den är.

3. Litteraturstudie 3.1 Allmänt om rostfritt Ett problem med kolstål är att de har svårt att motstå angrepp av atmosfär, vatten och lösningar av salter, syror och alkalier – de rostar helt enkelt. Legerar man stålet med Krom (minst 12 %) bildas det ett mycket tunt passiverande kromoxidskikt som skyddar mot angrepp. Andra legeringsämnen som Molybden och Nickel kan förstärka denna effekt.(2) Namnet rostfria stål är lite missvisande. De flesta kan i kloridhaltiga miljöer som havsvatten få angrepp genom spaltkorrosion, gropfrätning eller vid höga temperaturer genom spänningskorrosionssprickbildning. Användningsområdet styr vilken typ av rostfritt stål som bör användas. Detta för att erhålla optimal korrosionshärdighet.(3)(4) Rostfria stål kan delas in i olika grupper beroende på de strukturbeståndsdelar som ingår i kristallstrukturen: ferritiska, martensitiska, austenitiska samt duplexa.(1)

3.1.1 Ferritiska Tittar man i Schaeffler-de Long-diagrammet (bilaga 2) så ser man att vid låg C-halt samt Cr-halt på över 13% befinner man sig i ett område där strukturen är 100% ferritisk. Sådana stål har bra korrosionshärdighet, är okänsliga för spänningskorrosion och måttlig seghet.(1)(8)

9

3.1.2 Martensitiska Austenitiska stål med ca 13% Cr och mer än 0,15% C kan göras helt austenitiska och vid hastig kylning hinner C-atomerna inte diffundera utan blir fastlåsta i en hård och spröd atomstruktur som kallas BCT. Dessa stål är härdbara och har hög hållfasthet och måttlig korrosionshärdighet.(1)(8) 3.1.3 Austenitiska Tittar vi åter på Schaeffler-de Long-diagrammet ser vi att vid mycket hög Ni-halt kan stålet förbli austenitiskt ända ner till rumstemperatur. Tillsätter man stålet lite Cr behöver dock Ni-halten ej vara lika hög för att uppnå samma effekt. De vanligaste austenitiska stålen har mycket god korrosionshärdighet och seghet.(1)(8) 3.1.4 Austenit-ferritiska stål Dessa kallas även duplexa stål och innehåller både austenitisk och ferritisk struktur. Blandningen är ofta 50-50, men vissa innehåller 20-75% austenitisk fas. Dessa stål har jämfört med de austenitiska väsentligt högre hållfasthet men med fortsatt bibehållen seghet och korrosionshärdighet.(1)(8) I Degerfors tillverkar man idag endast plåtar av duplexa och austenitiska stål. 3.2 Termoelement Termoelementet skapades av T J Seebeck år 1821. Han upptäckte att en elektrisk spänning bildas i en krets av två olika metaller eller legeringar som utsätts för en temperaturskillnad. Ju större skillnaden var, desto större blev spänningen. Idag är termoelement den mest använda mätsondstypen inom industrin.(7) Ett termoelement består av två metalltrådar med olika Seebeck-koefficienter. Dessa genererar olika spänningar och man erhåller en mätbar spänning. Spänningen mäts i kontaktpunkten mellan trådarna, som sedan omvandlas till temperatur i avläsningsinstrumentet. Observera att ett termoelement mäter sin egen temperatur, inte omgivningens.(5)(7) De termoelement som användes av ABB Industriunderhåll vid provmätningar kallas för manteltermoelement, och är av typ K vilket innebär att trådarna består av NiCr och NiA-legeringar. Trådarna är inkapslade i hårt packad magnesiumoxid som i sin tur omsluts av en stålmantel. Fördelarna med dessa element är att de tål högre temperaturer än andra element i motsvarande tjocklek. Man har dock för avsikt att börja använda termoelement av typ N, då dessa är mindre känsliga för 1grönröta och är mer pålitliga i temperaturer över 1000°C.(5)(7)

1En typ av korrosion

10

Manteltermoelement finns att tillgå med tre olika typer av spetsar med varierande mätpunkt; isolerad, jordad och exponerad. Den vanligaste och den som använd av ABB Industriunderhåll är den med isolerad mätpunkt.(5)(7)

Termoelement av finns även i värmebehandlingsugnarna i Degerfors. Dessa kallas typ S och innehåller trådar av Platina och Rodium. Dom har till uppgift att reglera gas-flödet i oxy-fuel brännarna.(7) Ett stort problem som kan uppstå vid användning av lite längre termoelement är uppkommandet av temperaturgradienter. Varierar temperaturen längs trådarna uppstår det olika Seebeckspänningar. Dessa påverkar det erhållna värdet i instrumenten.(5)(7)

3.3 Pyrometern Pyrometern är ett instrument som används för beröringsfri temperaturmätning, dvs. det krävs ingen fysisk kontakt med materialet. Den registrerar istället den termiska strålning som alla objekt med en temperatur över absoluta nollpunkten (-273˚C) emitterar. Detta innebär att en pyrometer endast kan mäta yttertemperaturen på ett material. Strålning fokuseras med hjälp av en lins på en detektor, och omvandlar denna till en elektrisk signal som lätt kan överföras till ett visarinstrument.(7)(11) Värmestrålning innehåller tre komponenter: emission (mätkroppens utsända strålning), transmission (värme från andra källor som går genom kroppen) och reflexion (reflekterad värme från andra kroppar). Pyrometern mäter summan av dessa tre.(7) Som man kanske redan kan lista ut är metoden oerhört känslig för störningskällor. Ugnsgaser samt ugnens väggar emitterar också termisk energi (s.k. parasitstrålning) som registreras av pyrometern och ger upphov till felaktiga värden. Problem vid beröringsfri temperaturmätning:(11)

1 Utsatta placeringsplatser I ugnen är miljön tuff och ställer stora krav på pyrometerns placering. Den ska ge optimala mätresultat samtidigt som den ska sitta på en plats där den är enkel att underhålla.

2 Elektriska störningar Påverkan av diverse elektriska störningar kan minskas genom att använda fiberoptiska kablar.

3 Omgivningstemperatur Någon form av kylning med luft eller vatten är ofta nödvändig vid processer där man arbetar vid hög temperatur.

4 Damm, rök och vatten Sikten framför linsen kan störas av olika partiklar som flyger omkring i ugnsatmosfären. Kan avhjälpas genom att välja specifika våglängder för pyrometern där inverkan från dessa blir minst.

11

5 Emissionfaktorn (�) Denna faktor kan variera för ett och samma ämne beroende på om ämnet är oxiderat eller inte, samt på oxidskiktets tjocklek. På grund av att man ofta inom järn och stålindustrin endast varit intresserad av relativa temperaturförändringar, har bestämning och kompensering för emissionsfaktorn ej varit så intressant. Detta har bringat stora spekulationer om givarens egentliga noggrannhet.

De problem som kan vara aktuella i Degerfors är främst utsatt givarplats samt damm och rök i atmosfären. Pyrometerns våglängd bör väljas så att ugnsgaserna inte påverkar mätningen. Detta är redan gjort av tillverkaren och på pyrometern i Normaliseringsugnen är den inställd på våglängden 3.9 µm. I och med att man använder sig av brännare, måste man vara extra noggrann med att pyrometerns strålgång inte passerar någon flamma. En annan viktig sak att tänka på vid placeringen av en pyrometer är att betraktningsvinkeln mot ämnet skall vara större än 45°. För att undvika att pyrometern mäter mittemellan två plåtar, gjordes en beräkning av diametern på mätytan, den s.k. ”targetspot”. Den räknades fram med hjälp av ett optiskt diagram, fig. 3.1 samt en ekvation, fig. 3.2 som båda bifogades med i pyrometerns instruktionsbok.(12) Targetspot beräknades till 61 mm.

Fig. 3.1 Fig. 3.2

12

4. Genomförande 4.1 Genomförande av hålltidsundersökningen Före temperaturmätningarna utfördes kalibrerades pyrometern mot ugnen. Kalibreringen utfördes mot ugnens inbyggda termoelementen samt mot termoelement applicerade på provplåten. Antalet termoelement som används på provplåten är normalt fem stycken, ett i varje hörn samt ett i mitten. Resultatet från termoelementet i mitten på plåten och pyrometerns mätvärden kan ses i bilaga 3. En provplåt värmdes till 1200°C och när både ugnens och pyrometerns termoelement visade rätt så justerades emissionsfaktorn så att pyrometern visade 1200 grader. Faktorn hamnade tillslut på 0.85. På uppläggningsbordet där plåten placeras innan transport till ugn, markerades pyrometerns position. I och med att targetspot tidigare beräknats fram så visste man nu var plåtarnas skarv (om man värmebehandlar fler än en plåt samtidigt) skulle placeras. Pyrometern kopplades till en dator med hjälp av ett program som heter Raytek DataTemp TX version 2.14. Programmet visar temperaturen som pyrometern mäter på plåten. Programmet tillåter att man själv ställde in hur ofta den skulle registrera temperaturen (30 sekunder valdes). Temperaturmätningen startades när ugnsluckan stängdes. I operatörsrummet fanns ett "informationsskåp" som hade ett tidtagarur, som startade när ugnens temperatur nått rätt antal grader. Skåpet var kopplat till de inbyggda termoelementen i ugnen. När denna klocka startade markerades detta manuellt i programmet. När hålltiden gått togs plåten ut ur ugnen. Temperaturmätningen stoppades när ugnsluckan öppnades. Temperaturmätningen sparades som ett textdokument där man kunde avläsa temperatur samt klockslaget den togs. För att presentera denna information gjordes tid/temp-diagram i excel, där även aktuell ämnesdimension, stålsort och A-kod visas. Av sekretesskäl kan dessa ej bifogas i rapporten, men ett exempel på dessa diagram kan ses i bilaga 8.

13

4.2 Genomförande av varmplaningsundersökningen Vid varmplaningsundersökningen användes ett simuleringsprogram vid namn Steeltemp 2D. Detta program används bland annat för att simulerar fram svalningskurvor för stål. Det första som gjordes var att ta reda på hur lång tid det tar att transportera plåten från ugnen direkt till planmaskinen. Denna tid uppmättes till 1.5 min. Därefterplacerades en oplan provplåt (3200 mm x 12000 mm x 37 mm) av stålsorten 18-9 i ugnen. Den hölls där ända tills pyrometern visade att den hade en temperatur på 650°C. Anledningen till att man valde att ta ut den då pyrometern visade 650°C var att temperaturen beräknades hinna sjunka till 600°C innan plåten är helt ute ur ugnen. Plåten transporterades till planmaskinen och planades med gott resultat. Precis innan inträdet till planmaskinen uppmättes temperaturen med hjälp av en handhållen pyrometer till 350°C. Därefter gick vi in i Steeltemp 2D och matade in alla parametrar och villkor som gällde för aktuell plåt, se fig. 4.1. Någon specifik tjocklek valdes inte utan programmet tilläts beräkna svalningskurvor för plåtar med olika tjocklekar mellan 5 mm och 50 mm. 50 mm är maxtjockleken på plåt som skall varmplanas. Temperaturen 600°C är kärntemperaturen i plåten. Omgivningstemperaturen valdes till vanlig rumstemperatur. Som värmetransportvillkor valdes både 1strålning och fri 2konvektion.

Fig. 4.1 Indata som matades in i Steeltemp 2D

5. Resultat 5.1 Resultat av hålltidsundersökningen Hålltiderna undersöktes vid två stycken olika temperaturgränser, 15°C samt 5°C under aktuell värmebehandlingstemperatur (kallas i fortsättningen -15°C och -5°C) (se bilaga 4). Båda ligger inom området för godkänd värmebehandling men för att säkerställa fullgott resultat rekommenderas att man följer hålltiderna för temperaturgränsen -5°C. Studerar man temperaturgränsen -15°C ser man att hålltiderna går att förkorta i samtliga fall från allt mellan 5.5 minuter till 51 minuter. Tiden som går att förkorta avläses under tabellrubriken ”övertid -15C°” och den optimala uppkörningstiden kan avläsas under rubriken ”uppkörningstid -15°C”.

1Överföring av energi utan medverkan av något medium. 2Energitransport tillföljd av att materia med tillhörande energiinnehåll transporteras.

Ber. utförda i steeltemp 2D Indata Plåtformat b x l x t 3200 x 12000 x t Mtrl 18-9 stål Starttemp 600 grad C Omgivningstemp 20 grad C

Randvillkor Strålning och fri konvektion

14

Studerar man temperaturgränsen -5°C ser man att hålltiderna fortfarande kan förkortas. I vissa fall måste dock hålltiden förlängas några minuter. Undersöker man vikten på dessa (ta viktintervallet 40 mm-43 mm) plåtar så ser man att de har större vikt kräver förlängd hålltid, vilket är kanske naturligt då mer massa kyler ugnen mer och tar längre tid att värma upp. Dock kan två undantag från detta upptäckas. Plåtarna med tjockleken 41.20 mm och 42.10 mm har båda större massa än övriga i det intervallet, men har ändå en övertid på 22 minuter respektive 25 minuter. Båda dessa är av samma stålsort 18-9. Tittar man på temperaturavvikelsen från värmebehandlingstemperaturen (bilaga 5) så ser man att mellan tjockleksintervallet 30 mm till 50 mm är avvikelsen störst. Anledningen till det tros vara att det i finns många olika stålsorter i just det intervallet och eftersom hålltiderna är baserade på ämnets vikt och tjocklek, tas ingen hänsyn till detta. Tittar man vidare i övertidsdiagrammen (bilaga 6) så ser man att även övertiden sprider mycket i det området både för -15°C och -5°C. Det är ytterligare en faktor som visar att hålltiderna inte tar hänsyn till stålsorten. Tittar man på trendlinjerna ser man tydligt att vid -15°C ökar övertiden med ökad tjocklek. Tittar man på -5°C ser man att trendlinjen går mer horisontellt. Anledningen till detta är helt enkelt som ovan nämnts att hålltiderna i vissa fall inte räcker för att ge plåten avsedd temperatur. 5.2 Resultat av varmplaningsundersökningen Simuleringen i Steeltemp visar att genom att värma upp plåten till 600° och därefter låta den svalna enligt givna förutsättningar under 1.5 minuter (90 sekunder för plåten att nå planmaskin), så hinner plåttemperaturen aldrig sjunka under 440°C. I det erhållna diagrammet (bilaga 7) ser man om man tittar på svalningskurvan för 35 mm (närmast aktuell plåtjocklek) samt tiden 90 sekunder så ser man att plåttemperaturen sjunkit till 574°C. Temperaturen som erhölls med pyrometern visade 350°C, men då får man tänka på att kärntemperaturen i plåten troligtvis inte nådde upp till 650°C. För att detta skall ske måste plåten hållas vid den temperaturen ett visst antal minuter. Experimentet med en ”verklig” plåt på 37 mm som värmdes upp till 650°C, visade att vid planmaskinen hade temperaturen sjunkit till 350°C. Denna plåt planades utan problem. Steeltemp-programmet visar temperaturen i kärnan på plåten, medan pyrometern visar yttemperaturen. Förmodligen var kärntemperaturen på den ”verkliga” plåten något lägre än vad Steeltemp-programmet visade. 6. Slutsats 6.1 Undersökning av hålltiderna Om hålltiderna kan förkortats från befintliga hålltider beror på vid vilken temperaturgräns man väljer att godkänna värmebehandlingen. Tittar man på gränsen -15°C så ser man att hålltiderna kan förkortas från allt mellan 5.5min till 51min. Optimala hålltiden kan ses i tabellen i bilaga 4, där den kan avläsas under rubriken ”uppkörningstid -15°C”.

Väljer man istället temperaturgränsen -5°C ser man att hålltiderna i de flesta fall fortfarande kan förkortas. Dock inte lika mycket nu. Vissa hålltider räcker precis för att nå upp till -5°C, och på några måste man lägga till några minuter.

15

I båda dessa fall skall man dock komma ihåg att pyrometern endast mätt yttemperaturen. Då yttemperaturen nått de satta gränserna är förmodligen inte kärnan på plåten uppe i samma temperatur. I och med detta ”krävs” en viss övertid, som ökar med plåttjockleken. Detta ser man tydligt i bilaga 6.

6.2 Undersökning av planingsförfarandet Enligt simuleringen i Steeltemp så är det möjligt att med gott resultat varmplana en plåt genom att först värma upp den till 600°C och sedan transportera den till planmaskinen. Simuleringen visar att temperaturen aldrig hinner sjunka under 440°C (50 mm). Experimentet med en ”verklig” plåt på 37 mm som värmdes upp till 650°C, visade också att det är möjligt att varmplana under ovan nämnda förutsättningar. Dock visade sig temperaturerna innan planmaskin vara olika enligt pyrometern och Steeltemp, men det beror på att temperaturen i den ”verkliga” plåten inte hunnit bli homogen p.g.a. den korta hålltiden i ugnen. Ugnen höll då detta genomfördes en temperatur på 1100°C, så han vi knappt stänga ugnsluckan innan pyrometern visade 600°C och då kan man ju snabbt räkna ut att kärnan knappast hunnit nå upp till yttemperaturen. 7. Förslag till fortsatt arbete 7.1 Hålltiderna För att värmebehandlingen skall vara godkänd, räcker det med att plåttemperaturen nått till ett värde 15°C under värmebehandlingstemperaturen. Enligt resultatet av undersökningen leder detta till en sänkning av hålltiderna (bilaga 4). Att rekommendera är att man godkänner värmebehandlingen när plåttemperaturen nått till -5°C under avsedd temperatur. Då säkerställer man att värmebehandlingen är bra och vissa hålltider kan fortfarande förkortas. Dock ser man att vissa hålltider måste förlängas någon minut. Vill man försöka satsa på att godkänna värmebehandling 15°C under avsedd temperatur bör man i samband med detta göra utförliga laboratorieundersökningar på materialet, för att säkerställa att önskade materialegenskaper uppnåtts. 7.2 Varmplaningsförfarandet Normaliseringsugnen kan inte köras i så låg temperatur som 650°C. Därför rekommenderas att om man vill säkerställa bra varmplaning och samtidigt undvika sigma-fas, att man försöker värma upp gods som skall planas i samband uppvärmningen av ugnen. Då hinner plåten få en mer homogen temperatur mellan ytan och kärnan. Man bör också överväga att införa någon form av skriftlig tabell med olika tryckkrafter man bör använda för olika tjocklekar. Då försvinner felkällan med att olika operatörer trycker olika hårt.

16

8. Felkällor 8.1 undersökning av hålltiderna Tänkbara felkällor till denna undersökning är många. Den störst är om pyrometerns värden går att lita på. Förutom kalibreringen utförd av tillverkaren så gjordes en kalibrering mot ugnen samt termoelement placerade på plåten. En emissionsfaktor på 0.85 valdes eftersom vid detta värde stämde pyrometerns temperatur mot ugnens samt termoelementens. Tittar man i tabeller över emissionsfaktorer ser man att oxiderat rostfritt stål normalt har ett emissionsfaktor på 0.79. Något annat som kan ha påverkat resultatet är hur länge ugnen har varit igång vid mätningstillfället. Tidigt på veckan innan ugnen hunnit bli helt genomvarm hinner temperaturen sjunka mera vid ugnsluckeöppnandet än vad den gör i slutet på veckan. Detta påverkar uppkörningstiden på ugnen som då blir kortare ju längre ugnen varit igång. 8.2 Undersökning av varmplaningsförfarandet Förutom det som nämndes ovan med att temperaturen på provplåten inte var homogen, så är själva planingsmomentet väldigt operatörsberoende. Olika operatörer trycker olika hårt på plåten vilket kan resultera i att vissa lyckas med planingen och andra inte. 9. Källhänvisningar

1. Karlebo materiallära, 13:e utgåvan 1999 2. Karlebo handbok, 12:e utgåvan 1977

3. Intervjuer och diskussioner med Jan Svensson 4. ”Rostfritt” och ”Syrafast”, rostfritt stål och deras egenskaper, Béla Leffler 1987 5. Spårbar temperaturmätning 1, Pentronic 1997 6. Bofors handbok Värmebehandling av stål, Karl-Erik Thelsing 1976 7. Pentronics temperaturhandbok 8. The making, shaping and treating of steel, 10th edition 1985 9. Plastisk deformation “Valsning”, Leif Bohlin 2002

10. Metaller II. Stål, Lennart Stemne Upplaga B01 11. Materialtemperautmätning i värmeugnar, Bo Leden 1984 12. Thermaalert Tx series, Raytek 2004

10. Bilagor 10.1 Bilaga 1

Strängjutning Sheffield Strängjutning Avesta

sliphall

VÄRMNING - stegbalk, gropugn

Valsning i kvartoverk

Varmsax

Svalbädd

Värmebehandling - rullhärdugn

Värmebehandling- Grängesugnarna

Planing

Delning

Blästring och betning

Sista kvalitetskontroll

Emballering och leverans

Processkedjan hos Outokumpu Stainless AB, Hot Rolled Plate.

10.2 Bilaga 2

Modifierat Schaeffler-de Long diagram.

Kalibrering av pyrometer

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53

tid (min)

tem

p (˚

C)..

pyrometertermoelement

Kalibreringstemp 1200̊ C

�=0,85

10. 3 Bilaga 3

Graf ritad i excel som visar kalibreringskurvan för pyrometern.

10.4 Bilaga 4 del 1

Bilaga som visar plåtarnas tjocklek, vikt, ugnens uppkörningstid till avsedd

värmebehandlingstemperatur, uppkörningstid till temperatur 15°C under avsedd värmebehandlingstemperatur…forts nästa sida

tjocklek (mm), vikt(kg) uppkörningstid ugn (min)

uppkörningstid -15°C(min)

6.00, 1269 5,5 4,5 6.00, 1347 3 4,5 6.90, 910 5 4 6.90, 920 11 4 8.00, 1149 5 4,5 8.90, 1430 7 6 8.90, 1675 5,5 6,5 9.00, 1675 4,5 5,5 10.90, 2451 6,5 9 11.00, 2165 5 8 11.00, 2515 4,5 11,5 11.10, 1232 6,5 7 13.00, 1058 6,5 11 13.20, 2865 10 10,5 15.00, 3177 5 5,5 17.60, 2898 9,5 13 18.30, 2465 8,5 14,5 21.20, 4800 6 22,5 28.00, 3367 11 26 31.20, 3895 26 26 31.60, 4780 17 27 34.00, 5780 12 35 37.00, 3815 15 30 38.00, 6420 14 32 39.50, 4395 4,5 29 39.50, 4425 11 31,5 41.20, 9050 33 37 41.50, 4985 11 42 42.00, 3711 4,5 44 42.00, 3800 12 40 42.00, 4990 14 38 42.10, 4880 16 29,5 47.10, 5808 25 34 50.00, 4500 12 53,5 51.50, 5915 21 47 61.70, 8195 20 55 61.70, 9145 16 56 81.90, 10884 23 81,5 112.40, 8689 26 118

10.4 Bilaga 4 del 2

* markerar hålltid som krävs för att nå upp till temperaturgränsen.

…övertiden som plåten får med dagens hålltidstabell om man väljer att köra till 15°C under avsedd värmebehandlingstemperatur, uppkörningstiden till en temperatur 5°C under avsedd

värmebehandlingstemperatur samt övertiden (eller för kort tid om talet är negativt) för plåten om man väljer att köra till 5°C under avsedd värmebehandlingstemperatur.

Tiderna som visas inom parantes avser hålltidstillägg som vissa stålsorter kräver.

tjocklek (mm), vikt(kg) övertid -15°C (min) uppkörningstid -5C° (min) övertid -5C° (min) 6.00, 1269 11,5 5,5 10,5 6.00, 1347 9,5 5,5 8,5 6.90, 910 10 (+30min) 4,5 9,5 (+30min) 6.90, 920 7 (+30min) 5 6 (+30min) 8.00, 1149 14,5 5,5 13,5 8.90, 1430 10 10 6 8.90, 1675 8,5 (+30min) 7,5 7,5 (+30min) 9.00, 1675 9 (+30min) 6,5 8 (+30min) 10.90, 2451 11 (+15min) 18 2 (+15min) 11.00, 2165 9 10 7 11.00, 2515 7 18,5 0 11.10, 1232 12,5 (+30min) 8,5 11 (+30min) 13.00, 1058 8,5 (+30min) 17 2,5 (+30min) 13.20, 2865 13,5 20 4 15.00, 3177 17,5 6 17 17.60, 2898 16,5 (+15min) 19 10,5 (+15min) 18.30, 2465 14 (+30min) 22 6,5 (+30min) 21.20, 4800 3,5 - 34* -9 28.00, 3367 14,5 36,5 4 31.20, 3895 33 36,5 22,5 31.60, 4780 20,5 35 12,5 34.00, 5780 10 - 60* -15 37.00, 3815 23 (+30min) 38 15 (+30min) 38.00, 6420 18 40 10 39.50, 4395 15 (+30min) 37 7 (+30min) 39.50, 4425 20 (+30min) 39,5 12 (+30min) 41.20, 9050 32 47 22 41.50, 4985 17 - 61* -2 42.00, 3711 5,5 - 55* -5,5 42.00, 3800 16,5 - 65,5* -9 42.00, 4990 19 - 63* -6 42.10, 4880 29,5 34 25 47.10, 5808 38 39,5 32,5 50.00, 4500 12,5 - 71,5* -5,5 51.50, 5915 28 65,5 9,5 61.70, 8195 28,5 69,5 14 61.70, 9145 22 - 79,5* -1,5 81.90, 10884 32 - 121* -7,5 112.40, 8689 51 151 18

Temperaturavvikelse

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100 120

tjocklek (mm)

�T

(°C

) (C

°)10.5 Bilaga 5

Diagrammet visar hur många grader plåttemperaturen avviker från avsedd värmebehandlingstemperatur (0°C) i förhållande plåtens tjocklek.

Övertid (-15°C)

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105110115120

tjocklek (mm)

över

tid

(min

) 10.6 Bilaga 6.1

Diagrammet visar hur många minuters övertid varje plåttjocklek får vid uppvärmning till en temperatur 15°C under avsedd värmebehandlingstemperatur.

Övertid (-5°C)

-20

-10

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100 120

tjocklek (mm)

tid

(min

)

10.6 Bilaga 6.2

Diagrammet visar hur många minuters övertid varje plåttjocklek får vid uppvärmning till en temperatur 5°C under avsedd värmebehandlingstemperatur.

Negativa värden visar att hålltiden måste förlängas för att uppnå avsedd temperatur.

Temp-tid diagram luftsvalning

0,050,0

100,0150,0200,0250,0300,0350,0400,0450,0500,0550,0600,0650,0

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

Tid ( sek)

Tem

p (

grad

. C)

temp 5 mmtemp 10 mmtemp 15 mmtemp 20 mmtemp 25 mmtemp 30 mmtemp 35 mmtemp 40 mmtemp 45 mmtemp 50 mm

10.7 Bilaga 7

D

iagramm

et visar olika luftsvalningshastigheter för ett 18-9 stål som får luftsvalna.

800

840

880

920

960

1000

1040

1080

1120

1160

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

tid (min)

tem

p (°

C)..

hålltid börjar hålltid slutar

vbh temp 1100°C

vikt: 5780kgtjocklek: 34.00mm

934°C

1091°C

1115°C

1085°C

10.8 Bilaga 8

Diagrammet visar ett exempel på hur tid/temp diagrammen som konstruerades i excel ser ut. Kurvan visar plåttemperaturen som uppmätts med hjälp av en pyrometer. Pilarna pekar mot