Temperaturförändring under och efter etappkylningsprocessen

Temperaturförändring under och efter

etappkylningsprocessen

Nathalie Adolfsson

Helena Andersson

Metall och verkstadsindustri, högskoleexamen 2020

Luleå tekniska universitet

Temperaturförändring

under och efter

etappkylningsprocessen

av

Nathalie Adolfsson & Helena Andersson

B0009T – examensarbete i materialvetenskap

i

Förord

Under vårterminen 2020 utfördes ett examensarbete av två teknikerstudenter på Uddeholms AB som avslutning på den tvååriga utbildningen Metall- och

verkstadsindustri på Bergsskolan i Filipstad. Arbetet gjordes med stort engagemang från båda studenterna.

Ett stort tack riktas till Uddeholms AB som gjort det möjligt att genomföra examensarbetet på bästa sätt trots COVID – 19 och de begränsningar som viruset skapat.

Vi vill även tacka alla operatörer som kommit med idéer, gett feedback och på ett eller annat sätt lett arbetet framåt. Ett extra stort tack riktas till Anders Thuvander på FoU, Konstantin Kühn, processutvecklare och handledare för arbetet, Jörgen

Andersson, handledare på Bergsskolan, Anders Danielsson, Camilla Åkerlund, Magnus Melberg och Ronnie Eliassen som visat stort intresse i vårt arbete och ställt upp och svarat på de frågor vi haft med stor glädje och engagemang.

ii

Sammanfattning

Under våren 2020 utfördes ett examensarbete på Uddeholms AB där syftet var att granska och optimera de etappkylningsprogram som används i

värmebehandlingsverket idag.

Genom att mäta yttemperaturen efter etappkylningen under ett visst tidsintervall kunde jämförelser göras mellan de olika programmen och även vissa beräkningar utföras.

Resultatet visar att materialet i de flesta fall erhåller rätt sluttemperatur inom det specifika intervall som är framtaget beroende av struktur och sprickkänslighet.

I vissa fall kan materialet erhålla en något för låg temperatur som kan åtgärdas med hjälp av en liten förändring i etappkylningsprogrammet då det sista doppet tas bort.

Med hjälp av tidigare beräkningar gjorda på företaget och med hjälp av de nya mätningar som gjorts kan ett samband mellan yttemperatur och kärntemperatur ses, vilket kan vara till stor hjälp för att avgöra om materialets värmebehandling är slutförd.

Genom att anpassa temperaturen inför nästkommande operation kan tid och energi sparas.

iii

Abstract

In the spring of 2020, a degree project was performed at Uddeholms AB where the purpose was to review and optimize the stage cooling programs used in the heat treatment today.

By measuring the surface temperature after the stage cooling over a certain time interval, comparisons between the different programs could be made and some calculations could also be performed.

The result shows that in most cases the material receives the correct final temperature within the specific range, depending on structure and crack sensitivity.

In some cases, the material may obtain a slightly too low temperature which can be corrected by a small change in the stage cooling program when the last dip is removed.

With the help of previous calculations made at the company and the new

measurements made, a connection between surface temperature and core temperature can be seen, which can be of great help in determining whether the material's heat treatment is completed.

iv

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1 1.1 Företagspresentation ... 1 1.2 Bakgrund... 1 1.3 Syfte ... 2 1.4 Problemformulering ... 2 1.5 Avgränsningar ... 2 1.6 Målsättning ... 2 2 Litteraturstudie ... 3 2.1 Austenitisering ... 3 2.2 Etappkylning ... 3 2.3 Mjukglödgning ... 4 2.4 Verktygsstål ... 4 2.5 Värmebehandlingsugnar... 5 2.6 CCT – diagram ... 6 2.7 Strukturer ... 7 2.8 Tidigare undersökningar ... 8 3 Metod ... 9

3.1 Materialets resa genom värmebehandlingsverket... 9

3.2 Vägen från teori till slutsats... 11

4 Resultat... 13

4.1 Resultatet från tidigare försök ... 13

4.2 Resultat från mätningar av temperaturen efter etappkylning ... 16

4.3 Analys av temperaturförändringen i ytan efter etappkylning ... 18

5 Diskussion... 25

5.1 Olika austenitiseringstemperaturer ger olika sluttemperaturer ... 25

5.2 Materialsort A ... 25

6 Slutsats ... 25

6.1 Problemet med att välja ett program för klenare dimensioner... 25

6.2 Gyllene derivatan... 25

6.3 Utesluta sista doppet ... 26

6.4 Bättre kommunikation med operatörer ... 26

1

1 Inledning

1.1 Företagspresentation

Uddeholms AB är en internationell tillverkare av högkvalitativt verktygsstål centralt beläget i den lilla bruksorten Hagfors. Idag har företaget cirka 800 anställda och är därmed Hagfors och Värmlands största privata arbetsgivare. Sedan 2007 är

Uddeholms AB en del av Voestalpine – koncernen. Uddeholms AB inriktar sig i huvudsak på tre olika typer av stål. Konventionella-, ESR-, och pulverstål. De inriktas på olika produkter inom varmarbetsstål, kallarbetsstål, plastformstål och mekaniska komponenter med mera. De marknadsför en mängd olika stålsorter med sina specifika namn som till exempel Vidar, Orvar och Dievar som lätt gör att det kopplas till

Uddeholms AB.

1.2 Bakgrund

I värmebehandlingsverket på Uddeholms AB utförs olika typer av värmebehandlingar på det högkvalitativa verktygsstål som tillverkas på företaget. Austenitisering är ett moment i en specifik typ av värmebehandlingsmetod som används när det finns höga krav på den färdiga produkten gällande struktur och mekaniska egenskaper.

För att färdigställa värmebehandlingsmetoden krävs att materialet kyls kontinuerligt enligt noggrant framtagna etappkylningsprogram baserade på CCT-diagram,

värmeledningsförmåga och dimension till en temperatur inom ett specifikt intervall.

Idag finns vissa oklarheter gällande huruvida materialet hamnar inom rätt

temperaturintervall efter etappkylningen då programmen inte tar hänsyn till de olika austenitiseringstemperaturerna som används. Detta skapar variation på

sluttemperaturen vilket kan ge oönskade resultat gällande struktur och

sprickkänslighet. Om materialet erhåller en för låg temperatur ökar risken för sprickbildning och en för hög temperatur kan skapa försämringar i strukturen.

2

1.3 Syfte

Syftet med arbetet är att ta fram ett underlag som redovisar hur väl de befintliga etappkylningsprogrammen fungerar i praktiken, för att sedan utveckla och optimera dem för att få bästa kvalitet på materialet och ökad produktivitet i

värmebehandlingsverket.

1.4 Problemformulering

Företaget använder idag en specifik värmebehandlingsmetod där material austinitiseras i tre olika austenitiseringstemperaturer beroende på stålsort, vilket påverkar den slutgiltiga temperaturen på det behandlade stålet. Idag är

etappkylningsprogrammen enbart anpassade efter dimension vilket ger varierat resultat på sluttemperaturen inför mjukglödgning. Denna variation kan ge oönskade effekter i strukturen hos stålet om temperaturskillnaden mellan yta och kärna blir för stor. För att få förståelse för hur materialet kyls krävs praktiska försök och

beräkningar som beskriver temperaturen genom tid.

1.5 Avgränsningar

Företaget hade en önskan om att nya etappkylningsprogram skulle tas fram för de olika austenitiseringstemperaturerna, något som i praktiken inte visade sig vara av stor vikt. Istället lades fokus på de befintliga programmen för att se hur de kunde optimeras för bästa resultat på sluttemperaturen.

På grund av den rådande situationen gällande lågkonjunktur och COVID – 19 har orderingången varit låg vilket lett till att variationen på material varit begränsad. Där av har många försök utförts på stålsorten A.

1.6 Målsättning

Målet med arbetet är att med hjälp av praktiska försök, matematiska beräkningar och tidigare erhållna kunskaper från Bergsskolan redovisa för den temperaturförändring som sker i materialet efter etappkylningen och skapa ett underlag som skall kunna användas för att förbättra de befintliga etappkylningsprogrammen som används idag, med hänsyn till struktur och sprickkänslighet.

3

2 Litteraturstudie

2.1 Austenitisering

Austenitisering är en typ av upplösningsbehandling där materialet värms upp över austenitiseringstemperaturen så att diverse legeringselement går i lösning i

grundmassan. Behandlingen är i princip identisk med utskiljningshärdningen där den enda skillnaden är åldringen som inte utförs i austenitiseringsprocessen. Vid härdning är huvudsyftet att uppnå martensitisk struktur i materialet och vid austenitisering är huvudsyftet att lösa upp korngränskarbider och med snabb kylning, låsa fast

legeringselementen jämnt fördelat i grundmassan.

När materialet uppnått austenitisk struktur kan 100 gånger mer kol lösas in i stålet jämfört med den tidigare ferritiska strukturen vilket gör det möjligt att lösas upp och medföra en jämn fördelning av kolet i stålet samt viss utjämning av de karbidbildande ämnena i austeniten. Vissa karbider är svårare att lösa upp men de bidrar till en

härdande effekt i materialet.

När kärntemperaturen i materialet sjunkit till under 450°C bildas inga ytterligare karbider och behandlingen räknas som färdig [1].

2.2 Etappkylning

Vid etappkylning kyls materialet i cykler om vatten/luft enligt noggrant framtagna etappkylningsprogram baserade på CCT-diagram, värmeledningsförmåga samt de olika materialens dimension för att uppnå rätt mikrostruktur och få fram rätt

egenskaper. Det är av stor vikt att utjämna temperaturen mellan yta och kärna för att erhålla ett så litet ∆T som möjligt. Detta minskar risken för inre spänningar och sprickor i materialet, samtidigt som en snabb kylning minskar risken för bainit och karbidtillväxt.

Etappkylningen utförs i kylkar med hjälp av en hark och travers eller på ett automatiserat doppbord. Det är gynnsamt att använda doppbo rd då det frigör den travers som annars skulle ha använts vid etappkylningen.

4

2.3 Mjukglödgning

Mjukglödgning är som namnet beskriver en mjukgörande värmebehandlingsmetod som används för att göra materialet mjukt och bearbetbart. Behandlingen utförs på verktygsstål och låglegerade stål med höga kolhalter för att underlätta vid skärande bearbetning.

Mjukglödgningen utförs på två olika sätt beroende på om stålet är övereutektoidiskt eller undereutektoidiskt.

På undereutektoida stål värms materialet upp till en temperatur strax under

austenitiseringstemperatur, även kallat A1 och hålls sedan 2 timmar i hålltid efter att

materialet är genomvarmt. Materialet kyls sedan långsamt med viss hålltid för att sedan svalna fritt i luft. Temperatur och hålltid beror på vilket material det gäller.

Övereutektoida stål kräver högre temperatur och värms därför till en temperatur strax över A1. Därefter sker samma svalningsprocess som för det undereutektoida stålet [2]..

Den färdiga strukturen erhåller sfäroidiserade karbider i en matris av mjuk ferrit.

2.4 Verktygsstål

Verktygsstål har en noggrann kemiskt kontrollerad sammansättning och är ett

högkvalitativt stål. Det har de specifika egenskaper som krävs för att vara användbara vid formning och bearbetning av andra material. Kolhalten varierar från 0,1% till över 1,6%. De legeringsämnen som används är bland annat krom, molybden, volfram och vanadin. Applikationer som verktygsstålet används till är klippning, pressning plastformning, strängpressning, pressgjutning, smide med mera. Nyckelfaktorer vid framtagning av verktygsstål är legeringssammansättning, värmebehandling och tillverkningsprocessen. De egenskaper man söker är hållfasthet, slitstyrka korrosionsbeständighet och värmebeständighet. Verktygsstålet levereras oftast i

5

mjukglödgat tillstånd, vilket gör materialet lätt att bearbeta med skärande verktyg och har en mikrostruktur som är lämplig för härdning. Det höglegerade stålet består vanligen av en mjuk grundmassa med karbider bestående av krom, volfram, molybden och vanadin. Karbider består av en förening mellan kol och stålets legeringsämnen, en karbid har en mycket hög hårdhet och förbättrar materia lets slitstyrka. Andra legeringsämnen som används vid framställning av verktygsstål är kobolt och nickel, dessa löses upp i grundmassan och förbättrar bland annat

varmhårdheten och genomhärdningsegenskaperna. De ökar också segheten i härdat tillstånd [3].

2.5 Värmebehandlingsugnar

På Uddeholms AB används ett antal olika värmebehandlingsugnar anpassade efter det stora materialflödet som varje dag passerar verket. Några varianter av ugnarna som används redovisas nedan.

Vagnugn

Vagnugnen är en typ av satsugn där härden är rörlig och kan köras in och ut ur ugnsrummet [4]. Detta är en universalugn anpassad för att kunna utföra olika

värmebehandlingar som härdning, anlöpning och austenitisering. På Uddeholms AB finns både el- och gasdrivna ugnar av olika fabrikat som UTAB, SARLIN och Andritz Maerz.

Kammarugn

Kammarugnen är den enklaste typen av värmebehandlingsugn och används enbart vid mjukglödgning eller behandlingar med fast temperatur. Ugnen består av ett ugnsrum som är infordrat med eldfast tegel och en lucköppning där luckan lyfts upp för att optimera utrymmet kring ugnen [5]. Chargeringen sker direkt på härden eller i så kallade knektar. Uppvärmningen i ugnen sker med elektriska element som sitter placerade på infordringen. På Uddeholm är fabrikatet på ugnarn a UTAB.

6 Rullbottenugn

Rullbottenugnen är en kontinuerlig ugn lämpad för mjukglödgning av större serier material [6]. Ugnarna är speciellt framtagna för att passa företagets behov och tillverkades av SARLIN.

2.6 CCT – diagram

CCT är förkortningen för Continuous Cooling Transformation som på svenska betyder omvandling under kontinuerlig kylning.

De CCT – diagram, se figur 1, som finns för de olika materialen beskriver vilken fasomvandling som sker om materialet kyls i en viss hastighet och är mer användbara vid värmebehandling än TTT – diagram då de visar hur materialet förändras vid konstant temperatur.

Detta beror på att det är mer vanligt att materialet kyls kontinuerligt för att undvika sprickbildning istället för en konstant kylning ned till en specifik temperatur.

7

2.7 Strukturer

Martensit

Genom att tvångsinlösa kol och andra legeringsämnen i ferrit så bildas martensit. Denna struktur bildas genom att austenit utsätts för en kraftig underkylning och en mycket komplex mikrostruktur bildas med en exceptionell hög hårdhet. I ett lågkolhaltigt stål bildas latt-martensit, vilken består av tunna ferritskivor i paket åtskilda av områden med dislokationer. I stål med högre kolhalt bildas lins-martensit med relativt stora skivor. I vissa höglegerade stål bildas järn med hexagonal

kristallstruktur, så kallade epsilon-järn [7].

Bainit

Vid temperaturer omkring 500˚C övergår utskiljningen av perlit succesivt till

utskiljning av en beståndsdel som kallas bainit. Det finns två typer av bainit, övre och undre bainit. Bildningsområdena av dessa är dock beroende av stålets kemiska

sammansättning. Den övre bainiten har sämre egenskaper än den undre och därför vill man helst undvika den [8]. -

Ferrit

Den stabila fasen hos järn i lågtemperatur, under 912°C. Kristallstrukturen hos ferrit kan ses som kubisk med en järnatom i varje hörn och en på varje sida, BCC [9]. Hållfastheten och seghetsegenskaperna är goda på grund av kornstorleken.

Perlit

Ferrit och cementit som bildar en lamellär struktur (två fasta faser). Bildas ur austenit när den har eutektoid kolhalt 0,76% och når den eutektoida temperaturen 727°C [10].

8

2.8 Tidigare undersökningar

Under de senaste tio åren har flertalet avancerande undersökningar utförts med hjälp av termoelement och avancerade beräkningar för att öka förståelsen för hur

temperaturen förändras i materialet under etappkylning. Undersökningarna visar att klena dimensioner (cirka 55 mm) erhåller en för hög sluttemperatur i både yta och kärna, medan medelgrova dimensioner får en jämn temperatur om materialet kyls efter anpassat etappkylningsprogram. De grova dimensionerna erhåller en godkänd yttemperatur, men får en alldeles för varm kärna på grund av materialets grova tjocklek. När materialet blir för varmt sker inte fullständig martensitomvandling och stålet erhåller en martensitisk struktur med viss procent bainit [11].

9

3 Metod

3.1 Materialets resa genom värmebehandlingsverket

I detta avsnitt beskrivs förloppet från materialbeställning till mjukglödgad slutprodukt för att öka förståelsen för kommande delar i rapporten.

Förloppet beskrivs enligt följande:

Beställning av material

På företaget finns en intern transportwebb där operatören väljer ut det material som skall austenitiseras och beställer sedan in det till rätt port. Transportwebben är sammankopplad med sidlastarna som transporterar materialet mellan olika platser i verket, och kör då det beställda rexet med material till den port det beställdes.

Placering av material på bädd

Så fort rexet med materialet anlänt till anvisad port läggs stålet på bädd med hjälp av travers. Operatören har valt ut material som kan samköras eller ger högt tonnage för maximal ugnskapacitet.

Austenitisering

Vid austenitisering placeras materialet i ugnen och austenitiseras vid en specifik temperatur beroende på stålsort. När materialet erhållit en jämn temperatur hålls materialet i en viss tid för att upplösning av karbider ska ske. När denna process är klar anses austenitiseringen vara färdig och det är dags för nästkommande operation.

Etappkylning

När materialet uppnått rätt temperatur från yta till kärna utförs en etappkylning för att förhindra ytterligare karbidutskiljning i materialet. Efter kylningen erhåller materialet en martensitisk/bainitisk struktur.

10 Placering av material på bädd

När kylningen är klar placeras materialet än en gång på bädd för att lämnas över till nästkommande operatör. Operatören utför de förberedelser som krävs för att sätta in materialet i någon typ av mjukglödgningsugn, det vill säga kammarugn eller

rullbottenugn.

Insättning i ugn

När alla förberedelser är gjorda placerar operatören materialet i ugnen med hjälp av travers eller chargeringsmaskin.

Mjukglödgning

När materialet placerats i ugnen utförs en mjukglödgning som är en mjukgörande behandling för att ge materialet önskade egenskaper inför nästkommande operation. Om ingen mjukglödgning utförs erhåller materialet en hård och spröd struktur vilket inte är önskvärt.

Hårdhetsprovning och verksyn

Efter mjukglödgning kontrolleras materialet genom hårdhetsprovning och/eller verksyn. Detta utförs för att säkerställa att värmebehandlingen genomförts på ett korrekt sätt och att materialet är färdigt för nästkommande operation.

Leverans till nästa operation

Om materialet erhåller godkänd hårdhet och är fritt från sprickor skickas materialet iväg till nästkommande operation som i de flesta fall är bearbetning eller

11

3.2 Vägen från teori till slutsats

Under examensarbetets start anordnades ett uppstartsmöte för att skapa de bästa förutsättningarna för att kunna åstadkomma ett så bra arbete som möjligt.

Handledaren på företaget förklarade hur etappkylningsprocessen går till idag och gav sedan sin synvinkel på problemet.

Till en början lades allt fokus på etappkylningsprogrammen som används idag och flertalet mätningar utfördes på temperaturen under etappkylningens gång. Detta visade sig inte vara av så stor vikt då temperaturen stämde bra överens med de temperaturer som angavs i tabellerna.

Efter några veckor ändrades fokus från temperaturen under etappkylningen till temperaturen efter etappkylningen då det framkom avvikelser i sluttemperaturen beroende på austenitiseringstemperatur.

När det riktiga problemet kommit till ytan startades arbetet på riktigt och med hjälp av kunnig personal på Uddeholm och Bergsskolan erhölls den information som behövdes för att komma fram till slutresultatet som redovisas nedan.

De mätningar som utfördes för att samla in data gjordes med pyrometer av modell Fluke 572–2 IR med en tiondels temperaturintervall och en maximal

temperatursavläsning på 900⁰C. Tidtagarur användes för att få rättvisande resultat som möjligt. Första mätningen startade när ångan släppt från materialet och gjordes var femte minut till det att temperaturökningen på materialets yta avtog. Mätningen gjordes mitt på stången från 2,5 meters avstånd och i 90 graders vinkel. Se figur 2

12

13

4 Resultat

Här nedan redovisas resultatet från de mätningar och matematiska beräkningar som utförts för att få förståelse för hur temperaturen förändras i materialet genom tid.

4.1 Resultatet från tidigare försök

I figur 3 ses hur kärntemperaturen och yttemperaturen kyls under etappkylningen. Kärnan svalnar av långsamt och ytan har en brantare svalningskurva. Do ck stiger temperaturen under tiden när materialet ligger i luft då kärnan värmer ytan.

14

I figur 4 visas sambandet mellan derivatan för ytans temperaturökning och

temperaturen i kärnan. Vid högre kärntemperatur erhålls en högre derivata ∆T/∆t i ytan och ju lägre temperaturen blir i kärnan, ju mindre blir temperaturökningen i ytan. Det som ses i diagrammet i figur 4 är temperaturökningen under ett specifikt

tidsintervall. Vid fjärde doppet, se figur 3, erhålls en kärntemperatur på cirka 400⁰C och en derivata på 20, se figur 4, detta är den ”gyllene derivatan” för dimensionen.

Figur 4. Dia gra m över derivatan ∆T/∆t för kylkurvor i materialets yta under etappkylning. Temperatur och tid ta gen under pågående etappkylning.

0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 D e ri v a ta ∆ T/ ∆ t T iden, Sekunder

Derivatan för ytans temperaturökning under pågående

etappkylning

15

Figur 5 visar temperaturökningen i ytan under tiden då materialet ligger i luft under etappkylningsprocessen, kurvans lutning ses brantare ju högre kärntemperaturen är. Yttemperaturen stigning är beroende av den varma kärnan, ju lägre kärntemperatur desto flackare kurva.

Figur 5. Dia gra m över temperaturökningen i ma terialets yta under etappkylning då materialet ligger i luft. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 ⁰C Tide n, Se kunder

Temperaturökning i ytan under pågående

etappkylning

16

4.2 Resultat från mätningar av temperaturen efter etappkylning

Figur 6 redovisar hur temperaturen i ytan förändras under tid om intervaller på 5 minuter.

Figur 6. Temperaturökningen i ma terialets yta efter etappkylning.

I figur 7 redovisas derivatan för den temperaturförändring som sker i ytan beroende av temperaturkurvan ovan.

Figur 7. Deriva tan ∆T/∆t för temperaturökningskurvan i materialets yta efter etappkylning.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 ⁰C T iden, min

799x299 mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60 D e ri v a ta ∆ T/ ∆ t T iden, min

799x299 mm derivatan

17

Figur 8 redovisar hur temperaturen i ytan förändras under tid om intervaller på 5 minuter.

Figur 8. Temperaturökningen i ma terialets yta efter etappkylning

I figur 9 redovisas derivatan för den temperaturförändring som sker i ytan beroende av temperaturkurvan ovan.

Figur 9. Deriva tan ∆T/∆t för temperaturökningskurvan i materialets yta efter etappkylning.

Samma samband som ses under etappkylningen syns även efter etappkylningen. Derivatan för ytans temperaturökning minskar ju mindre kärnans och ytans temperatur skiljer sig från varandra.

0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 ⁰C T iden, min

435Ø

0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 35 D e ri v a ta ∆ T/ ∆ t T iden, min

435Ø derivatan

18

4.3 Analys av temperaturförändringen i ytan efter etappkylning

Resultatet av det insamlade försöksmaterialet redovisas i olika diagram som synliggör hur väl de olika etappkylningsprogrammen överensstämmer med materialens olika dimensioner. Det har utförts jämförelser bland de olika materialen,

austenitiseringstemperaturer och på material med samma dimension körda i olika austenitiseringsprogram. X-axeln visar den tid som temperaturmätningen pågick och y-axeln temperaturen i materialets yta. Då mätningarna utfördes med pyrometer är det yttemperaturen som anges. Temperaturen har tagits på mitten av stålet vilket medför en lite högre temperatur än ute vid snittytorna. För att bilda en uppfattning om hur temperaturen i materialet utjämnas så har mätningarna pågått tills det att temperaturen avtar och kurvan planar ut.

19

Material Dimension Program Reg. temp Sluttemp Satsvikt

B 799x299 mm 12 2 168,4⁰C 15710 kg

A 435 Ø mm 12 3 218,8⁰C 15538 kg

Kommentar: Material B med austenitiseringstemperaturen 2 och Material A med austenitiseringstemperaturen 3. Båda etappkylda i program 12. Oavsett austenitiseringstemperatur och geometri hamnar temperaturen inom rätt intervall.

Figur 10. Ma terialbeskrivning

Figur 11. Jä mförelse a v sluttemperatur i ma terial med olika a ustenitiseringstemperaturer.

0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

A U S TEN I TI S ER I N G S TEM P ER ATU R 2 / 3

20

Material

Dimension Program Reg.temp Sluttemp Satsvikt

A 435 Ø mm 11 3 265⁰C 15194 kg

A 435 Ø mm 12 3 218,8⁰C 15538 kg

Kommentar: Dimensionen är 435 Ø mm har materialet doppats i program 11 och 12.

Figur 12. Ma terialbeskrivning

Figur 13. Dia gra m A sluttemperatur efter a ustenitisering i temperatur 3 och etappkylning.

0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 ⁰C MINUT ER

M ATER IAL A

pr11 pr12

21

Material Dimension Program Reg.temp Sluttemp Satsvikt

B 270 Ø mm 9 2 159,5⁰C 9410 kg

C 270 Ø mm 9 2 159,8⁰C 9370 kg

Kommentar: Material C och B. Austentiseringstemperatur 2. Kurvorna ter sig så gott som identiska. Etappkylning har skett vid två separata tillfällen.

Figur 14. Ma terialbeskrivning

Figur 15.Sluttemperatur efter etappkylning utförd i progra m 9, dimension 270 Ø mm.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15

J Ä M FÖRELS E P R OG RAM 9

B C

22

Material Dimension Program Reg.temp Sluttemp Satsvikt

A 435 Ø mm 12 3 218,8⁰C 15538 kg

A 498 Ø mm 13 3 181,9⁰C 15740 kg

A 514 Ø mm 14 3 211,6⁰C 11260 kg

Kommentar: Samma material med olika dimensioner, etappkylda i sitt respektive kylprogram valt efter dimension. Figur 16. Ma terialbeskrivning

Figur 17. Jä mförelse a v material i olika dimensioner.

0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 ⁰C MINUT ER

M ATER IAL A

435Ø 498Ø 514Ø

23

Material Dimension Program Reg.temp Sluttemp Satsvikt

A 435 Ø mm 10 3 280,0⁰C 16619 kg

A 435 Ø mm 11 3 265,0⁰C 15194 kg

A 435 Ø mm 12 3 218,8⁰C 15538kg

Kommentar: Austenitiseringstemperatur 3. Kommentar: Här har vissa operatörer valt ett lägre kylprogram för etappkylningen, för att minimera risk för sprickbildning.

Figur 18. Ma terialbeskrivning

Figur 19.Ma terial A dimension 435 Ø mm etappkyld i tre olika program.

0 50 100 150 200 250 300 0 15 ⁰C MINUT ER

M ATER IAL A

pr10 pr11 pr12

24

Material Dimension Program Reg.temp Sluttemp Satsvikt

D 377x115 mm 6 3 158,3⁰C 12055 kg

B 270 Ø mm 9 2 159,5⁰C 9410 kg

A 435 Ø mm 12 3 218,8⁰C 15538 kg

A 514 Ø mm 14 3 211,6⁰C 11260 kg

Kommentar: En jämförelse på de olika kylprogrammen av olika material och austenitiseringstemperatur. Figur 20 Ma terialbeskrivning

Figur 21. Jä mförelse av sluttemperatur på de olika dimensionerna körda i sitt respektive eta ppkylningsprogram. 0 50 100 150 200 250 5 10 15 20 25 30 ⁰C MINUT ER

J Ä M FÖRELS E

ETAP P K YLN INGSPRO GRAM

25

5 Diskussion

5.1 Olika austenitiseringstemperaturer ger olika sluttemperaturer

Etappkylningsprogrammen som används idag är väl anpassade efter de olika austenitiseringstemperaturerna då sluttemperaturen på materialen hamnar inom godkänt temperaturintervall. Det problem som kan uppstå är att materialet erhåller en låg sluttemperatur på vissa dimensioner vilket ger en ökad risk för sprickbildning.

5.2 Materialsort A

Under arbetets gång kom det till kännedom att det finns en specifik föreskrift för stålsorten A där etappkylningsprogrammet skall sänkas två steg för att erhålla en varmare yttemperatur och då minska materialets sprickkänslighet. Detta kan vara problematiskt då vissa dimensioner hos materialet kommer få en kärntemperatur över 450°C. Under en mätning erhöll stålet efter avslutad etappkylning en yttemperatur på 280°C efter 16 minuter i luft, vilket pekar på att kärntemperaturen är över 450°C. Detta kan påverka strukturen och de mekaniska egenskaperna.

6 Slutsats

6.1 Problemet med att välja ett program för klenare dimensioner

Idag väljer operatören ett etappkylningsprogram för klenare dimension enligt

föreskrift på stålsorten A. Detta kan skapa variationer i strukturen då programmen är baserade på materialens CCT – diagram och dess nosar. Om programmet sänks görs förändringar i vart omvandlingen i strukturen sker och avvikelser kan uppkomma.

En lösning på problemet vore att ta bort det sista doppet i vatten under etappkylningen för att erhålla en varmare sluttemperatur och bevara strukturen.

6.2 Gyllene derivatan

Derivatan ∆T/∆t har ett samband gällande dimension och stålsort, därför går det att hitta en specifik derivata som visar ett riktvärde för hur varm en yta kan vara för att ha en godkänd kärntemperatur.

26

6.3 Utesluta sista doppet

Genom att utesluta sista doppet i kylningsprocessen så kan en högre sluttemperatur hållas utan att påverka strukturen förutsatt att kärntemperaturen är lägre än 450⁰C. Detta kan då bidra till minskad energi för uppvärmning av materialet inför nästa processteg och inför de moment med lång liggtid innan nästa process så hinner inte materialet kylas av för mycket vilket sparar tid och energi.

6.4 Bättre kommunikation med operatörer

Efter att ha kommunicerat med operatörerna i värmebehandlingsverket har det framkommit att vissa föreskrifter ej varit till allas kännedom.

Ökad kunskap och förståelse hos operatörerna skulle skapa goda förutsättningar för att erhålla bra kvalitet på stålet även i framtiden!

7 Framtida arbete

- Ändra föreskrift för stålsort A till etappkylningsprogram enligt dimension då det ej finns någon påtaglig sprickbildning i materialet.

- Se över möjligheten om att utesluta sista doppet på för kallt material. Detta frigör tid och sparar energi.

- Inför mjukglödgning på rullbottenugn kan materialet med fördel erhålla en högre sluttemperatur då det kan ta lång tid innan materialet går in i ugnen. - Fortsätta utveckla materialet som Anders Thuvander påbörjat, för att hitta

sambandet mellan yttemperatur och kärntemperatur för de olika

dimensionerna. Detta med hjälp av den ”gyllene derivatan” för respektive dimension.

27

Referenser

[1] Föreläsning värmebehandling, Jörgen Andersson, Bergsskolan – våren 2020 [2] Materiallära, Produktion Ma – sidan 124

[3]

https://www.uddeholm.com/app/uploads/sites/43/2017/10/Uddeholm_heat_treatment-swe_1610_e5.pdf - sidan 4 2020-06-01

[4] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan .

Swerea IVF – sidan 664

[5] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 662

[6] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 667

[7] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 56 - 59

[8] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 55 - 56

[9] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 45

[10] Stål och värmebehandling, en handbok (2015) 2:a reviderade utgåvan.

Swerea IVF – sidan 54

28

Bilagor