Korkealämpötilaprosessit

Transkriptio

1 Korkealämpötilaprosessit Pyrometallurgiset lämpökäsittelyprosessit klo 8-10 SÄ114 Tutustua sulametallurgisia vaiheita seuraaviin lämpökäsittelyprosesseihin - Erityisesti raudan ja teräksen valmistus sekä valimot Tutustua teräksen valmistuksessa käytettäviin aihionkuumennusuuneihin - Tehtävät ja rooli tuotantoketjussa Aihionkuumennusuuni. SSAB:n Borlängen tehtaat, Taalainmaa, Kuva: Stig-Göran Nilsson (JK:n arkistot). 1

2 Sisältö Aihionkuumennusuunit - Tehtävät ja rooli teräksenvalmistusprosessissa - Case SSAB Raahe - Case Outokumpu Tornio Valssaus ja lämpökäsittelyt - Keskittyminen teräksiin Kuumennettu teräsaihio matkalla aihionkuumennusuunista valssaukseen. SSAB:n Borlängen tehtaat, Taalainmaa, Kuva: Stig-Göran Nilsson (JK:n arkistot). Tuotantoketju Esikäsittelyt Pelkistys Sulatus Raffinointi Jalostus Valu Lämpökäsittelyt Malmipohjainen rauta/teräs Jatkuvavalu Aihionkuumennus Romupohjainen rauta/teräs Jatkuvavalu Aihionkuumennus Ruostumaton teräs Sintraus Pelletointi Koksaus Kuivaus Lajittelu Pelletointi Sintraus Masuuni Masuuni LD-KG Senkkakäsittelyt Uppokaariuuni CRK AOD Kupari Kuivaus Liekkisulatus Liekkisulatus PSkonvertteri Valokaariuuni Senkkakäsittelyt Uppo- ja valokaariuunit Senkkakäsittelyt Anodiuuni Elektrolyysi Nikkeli Kuivaus Liekkisulatus Liekkisulatus Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Sinkki Pasutus Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Hydrometallurgiaa Jatkuvavalu Aihionkuumennus Anodivalu Tuotteiden valmistus Katodien sulatus/valu 2

3 Mitä metalleille tehdään valun jälkeen? Valukappaleiden kuumennusuuni. Uddeholmin Hagforsin tehtaat, Värmlanti, Kuva: Pia Nordlander (JK:n arkistot). Kuumennus - Kuumennuksella viitataan vaiheisiin, joiden tavoitteena on vain metallin lämpötilan nosto - voi silti tapahtua myös rakennemuutoksia - esim. aihioiden kuumennusuunit teräksenvalmistuksessa Muotoon saattaminen Valssaus - Kuumavalssaus - Kylmävalssaus Rakenteen ohjaus Erilaiset lämpökäsittelyt - Sarja kuumennus- ja jäähdytysvaiheita, joiden lämpötila ja aika on määritetty, ja joiden tavoitteena on rakenteen (ja sitä kautta ominaisuuksien) ohjaus ja homogenisointi - Oikeanlainen jäähdytys on olennainen osa lämpökäsittelyjä - Jaetaan usein hehkutus- ja karkaisukäsittelyihin - Hehkutuksen tavoitteena takenteen tasaaminen sekä eitoivotuista faaseista rakenteista eroonpääseminen - Karkaisulla vaikutetaan lujuuteen kiderakennetta muuttamalla - Lisäksi termomekaaniset käsittelyt (lämpökäsittelyt + kuuma- tai kylmämuokkaus) ja termokemialliset käsittelyt (esim. hiiletys) Aihioiden käsittely valun jälkeen Hidas jäähdytys - Tasainen jäähtyminen ei jännityksiä - Sitkeämpi rakenne - Kuumakuopat, uunit, jne. Kuumapanostus - Aihion ei anneta jäähtyä ennen panostusta aihionkuumennusuuniin - Pinoaminen Hidas lämmitys valssauslämpötilaan - Voidaan käyttää korkeahiilisille teräksille halkeamien välttämiseksi - Erillinen esilämmitysuuni Panostus aihionkuumennusuuniin Lähde: Antti Kiilakoski: Esitys, POHTO,

4 Aihioiden käsittely valun jälkeen Case Raahen tehdas Lähde: Antti Kiilakoski: Esitys, POHTO, Aihionkuumennusuunit Läpityöntöuunit - Aihiot työnnetään kuumennusuunin läpi kiinteän kiskorakenteen päällä - Panostus yhteen riviin - Koko aihiomatto siirtyy kerralla - Rajoittaa uunin pituutta (työntimien koko ja aihioiden pysyminen kiskojen päällä) - Ongelmana siirtonaarmuuntuminen - Aihion poisto uunista joko työntämällä luiskaa myöten tai nosto-/siirtolaitteella Askelpalkkiuunit Lähde: H. Tuomela Esitys, POHTO, Aihiot kulkeutuvat kuumennusuunin läpi askeltamalla kiinteiden palkkien ja liikkuvien askelpalkkien päällä - Panostus tarvittaessa kahteen riviin - Rakenne ja koko tarjoavat enemmän vapausasteita ja mahdollisuuksia uunin ohjaukseen - Tasaisempi lämpötilanohjaus - Parempi pinnanlaatu - Aihion poisto uunista nosto-/siirtolaitteella 4

5 Lähde: Esa Puukko: Esitys, POHTO, Aihionkuumennusuunit Aihionkuumennus Case Tornio 5

6 Aihionkuumennus Case Tornio Askelpalkkiuuni 1 - Hehkutusaika min - Kapasiteetti 120 t/h 150 minuutin hehkutusajalla - Tehollinen pituus 17,7 m - Ulosottolämpötila 1120 C tai 1260 C - Panostetaan sekä kuumia että kylmiä aihioita - Polttoaineena propaani tai häkä - Kaksirivipanostus mahdollinen - Polttimia 44 kpl - Kiinteitä palkkeja 7, liikkuvia 6 - Nostokorkeus 200 mm, liike sivulle 450 mm Lähde: Esa Puukko: Esitys, POHTO, Askelpalkkiuuni 2 - Hehkutusaikatavoite vähintään 130 min - Kapasiteetti 250 t/h 150 minuutin hehkutusajalla - Tehollinen pituus 35,5 m - Ulosottolämpötila 1120 C tai 1250 C - Polttimia 72 kpl - Kaksirivipanostus mahdollinen Aihionkuumennus Case Tornio Keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi - Savukaasujen energian hyödyntäminen ilman esikuumentamiseksi - Jäähdytysvesien energian talteenotto - Lämpöhäviöiden minimointi uunin vuorauksen suunnittelulla ja uunin paineen hallinnalla - Lämpösäteilyn maksimointi uunissa - Polttoaineen valinta, happipoltto - Uunin ohjaus - Poltinteknologia sijoittelu, liekin optimointi - Tuotannon suunnittelu Lähde: Esa Puukko: Esitys, POHTO, Kuvalähde: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). 6

7 Aihionkuumennus Case Imatra Ovakon Imatran tehtaalla bloomivalukone - Bloomien poikkíleikkaus 370 x 310 mm, max. pituus 6 m Valssauslämpötila yli 1200 C - Kolme eri lämpötilaa teräslajista riippuen Askelpalkkiuuni bloomien kuumennukseen - Kuumapanostetaan % tuotannosta - Kuumapanostuslämpötila C - Kapasiteetti 80 t/h - Kylmäpanostus - Kapasiteetti 45 t/h - 56 poltinta kuudessa lämmitysvyöhykkeessä Lähde: Aki Karjalainen: Esitys, POHTO, Hilseen muodostuminen Aihionkuumennuksessa teräksen pinta voi hapettua Hilseenmuodostuminen - Hilseen määrä, rakenne ja koostumus riippuvat teräksen koostumuksesta - Hilse poistetaan ennen valssausta, jotta se ei aiheuttaisi pintavirheitä tuotteeseen - Hilsepesurit - Suuri hilseenmuodostuminen tietää kuitenkin materiaalihävikkiä Esimerkkejä ruostumattoman teräksen pinnalle muodostuvista hilsekerroksista. Lähde: Laukka A, Heikkinen E-P, Puukko E & Fabritius T: Steel res. int. 88(2017)6. 7

8 Kuumavalssaus Valssauksessa teräs saa muotonsa Kuumavalssauksessa teräs on punahehkuinen - Tyypillinen aloituslämpötila 1250 C - Aihioiden kuumennus sopivaan lämpötilaan - Teräs helposti muokkaantuvaa Mitä kuumavalssauksessa tapahtuu? - Karkea rakenne hienontuu ja tasoittuu - llun muodon (paksuus, leveys) aikaansaanti Teräslevyn kuumavalssaus. Lähde: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Kuumavalssatut teräkset - Ominaisuudet määräytyvät erityisesti viimeisten valssauspistojen lämpötilan ja reduktion sekä valssauksen jälkeisen jäähdytyksen perusteella - Näitä ohjaamalla voidaan ohjata ominaisuuksia - Hyvin toteutettuna voidaan korvata normalisointi - Yhdistämällä lämpökäsittelyt kuumavalssaukseen vältetään uusi austenointikuumennus - Kuumavalssattujen levyjen tärkein lämpökäsittely on normalisointi Kylmävalssaus Mitä kylmävalssauksessa tapahtuu? - Pinnanlaadun ja mittatarkkuuden parantaminen - Ei pyritä suuriin muodonmuutoksiin Valssausta käsitellään tarkemmin konetekniikan opintojaksoissa Outokummun yhdistetty kylmävalssaus-, hehkutus- ja peittauslinja Tornion tehtaalla (RAP Rolling, Annealing, Pickling). Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). 8

9 Terästen lämpökäsittelyt Teräksen ominaisuudet määräytyvät koostumuksen ja lämpökäsittelyjen pohjalta - Lämpökäsittelyillä ohjataan mikrorakenne halutunlaiseksi - Toteutetaan sekä aihioille että valukappaleille Teräksen lämpökäsittelyjä - Normalisointi - Karkaisu - Päästö - Nuorrutus - Perlitointi - Bainitointi - Pintakarkaisu - Rekristallisointi - Pehmeäksihehkutus - Myöstö - Vedyn poistohehkutus Tasaushehkutus - Lämpötilan tasaus valssauskuumennuksessa Toteutus ja rakennemuutokset - Kuumennus siten, että lämpötila tasaantuu - Samalla suotautumat tasaantuvat ja erkaumia liukenee takaisin teräsmatriisiin - Tarvittava kesto riippuu kappaleen koosta ja lämmönjohtavuudesta - Voivat olla pitkiäkin suurilla valukappaleilla 9

10 Normalisointi - Sitkeyden lisääminen - Kiderakenteen hienontaminen - Rakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien homogenisointi - Valun tai taonnan jälkeen kiderakenne usein epätasainen Toteutus ja rakennemuutokset - Suuret rakeet alentavat sitkeyttä (teräs on haurasta) - Kuumennus austeniittialueelle - Muodostuu aiempaa rakennetta pienempiä austeniittirakeita - Jäähdytys vapaasti ilmassa - Austeniittialueelta poistuttaessa syntyy hienorakeinen rakenne - Ferriittis-perliittinen rakenne - Tehostetussa normalisoinnissa öljysammutus, joka tekee ferriitistä hienorakeisempaa sekä lisää perliitin osuutta Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Karkaisu, päästö ja nuorrutus - Lisätään lujuutta ja kovuutta (myös sitkeyttä) Toteutus ja rakennemuutokset Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Nuorrutus. - Kuumennus austeniittialueelle - Karkaisuhehkutus, austenointi - Jäähdytetään nopeasti (sammutus) - Syntyy kova martensiittinen rakenne - Jäähdytyksen toteutus - Levyt vesisuihkulla puristimien/rullien välissä - Runsaasti seostetut karkenevat ilmajäähdytyksellä - Voidaan tehdä valssauksen yhteydessä - Valssainten jälkeen nauha tai levy sammutetaan vesisuihkulla - Suorakarkaisu - Sitkeyden parantaminen päästöhehkutuksella - Uudelleenkuumennus (n. 200 C) - Martensiitin kovuus laskee hieman mutta sitkeys paranee merkittävästi - Päästölämpötilan avulla voidaan valita sopiva lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä - Nuorrutus = Päästö korkeassa lämpötilassa ( C) - Saavutetaan hyvä lujuus ja sitkeys 10

11 Jäähdytys ja sammutus Lämpökäsitelty valukappale matkalla sammutukseen. Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. Valukappaleen nosto sammutuksesta. Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. Jäähdytys tehdään lämpökäsittelystä riippuen joko hitaasti tai nopeasti (sammutus) Jäähdytysnopeutta voidaan ohjata - jäähdyttämällä kappale kuumennusuunissa halutun alasajorampin mukaisesti - käyttämällä erilaisia sammutusväliaineita Sammutusväliaineita - Vesi - Vanhin, halpa ja tehokas (joskus liiankin) - Öljy - Tasaisempi jäähtyminen - Haittoina työhygienia ja paloturvallisuus - Kappaleet pestävä - Polymeerit (vesi + muovi) - Suolasulat - Kaasut Perlitointi - Sitkeiden terästen lastuttavuuden parantaminen Toteutus ja rakennemuutokset - Isoterminen lämpökäsittely - Rakennemuutokset vaativat pidon tietyssä lämpötilassa - Kuumennus austeniittialueelle - Siirto toiseen uuniin tai suolakylpyyn - Austeniitin hajoaminen perliitiksi Perliittinen rakenne: Sementiitti (Fe 3 C) lamelleja ferriittimatriisissa. Syntyy eutektoidisen reaktion kautta austeniitin hajotessa. Kuva: Uudistettu Miekk ojan metallioppi. 11

12 Bainitointi - Sitkeyden parantaminen (kohtalainen lujuus) - xxxxx Toteutus ja rakennemuutokset - Isoterminen lämpökäsittely - Rakennemuutokset vaativat pidon tietyssä lämpötilassa - Kuumennus austeniittialueelle - Siirto toiseen uuniin tai suolakylpyyn ( C) - Austeniitin hajoaminen bainiitiksi ferriittiä ja sementiittiä sisältävä rakenne - Yläbainiitti - Ferriitti työntää kasvaessaan hiilen austeniittiin, jolloin syntyy pieniä sementiittierkaumia - Hauras - Alabainiitti - Sementiitti syntyy jo muodostuneissa bainiittisäleissä - Luja Pintakarkaisu Hiiletyskarkaisu. - Kappaleen pinnan kovuuden parantaminen siten, että sisus pysyy sitkeänä Toteutus - Pinnan kuumennus ja nopea jäähdytys - Sähköisesti (induktiokarkaisu) nopeampi - Kaasuliekillä hitaampi - Vaihtoehtoinen tapa: hiiletyskarkaisu - Niukkahiilisen teräksen kuumennus ( C) hiiltä luovuttavassa väliaineessa (esim. propaani, metaani) - Pinnan hiilipitoisuus kasvaa (n. 0,8 %) - Pinnasta tulee kova, kun taas sisus jää pehmeäksi ja sitkeäksi - Ohjaus lämpötilalla ja kaasuatmosfäärin koostumuksella - Myös typetys nitridien muodostuminen pinnalle Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). 12

13 Rekristallointi - Kylmämuokkauksessa lujittuneen teräksen pehmentäminen - Veto-ominaisuuksien parantaminen Toteutus - Hehkutus C:ssa - Kellouunit tai liikkuvana nauhana jatkuvatoimisissa hehkutusuuneissa - Suojakaasuatmosfääri estää pintojen hapettumisen - Jäähdytys ilmapuhalluksella - Käsittelyaika kuumennuksineen ja jäähdytyksineen tuntia Rakennemuutokset - Kylmämuokkautuneet rakeet korvautuvat uusilla kiteillä palauttaen teärksen alkuperäiset ominaisuudet Kuvat: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Jälki- eli tempervalssaus - 0,5 1 %:n jälkivalssaus myötörajailmiön poistamiseksi Pehmeäksihehkutus - Parantaa soveltuvuutta lastuavaan tai muovaavaan työstöön Toteutus ja rakennemuutokset - Perliittisen rakenteen omaavan teräksen sementtilamellien pallouttaminen - Vain yli 0,3 % hiiltä sisältäville teräksille - Jos hiiltä on 0,15 0,3 %: perliittinen rakenne on hyvin lastuttavaa - Alle 0,15 %:n hiilipitoisuuksilla lastuttavuutta voidaan parantaa kylmävedolla tai S-lisäyksellä (M-teräkset) - Perlitointihehkutus n. 650 C:ssa tai hyvin hidas jäähdytys hehkutuksesta - Pitkät käsittelyajat (5 30 tuntia) Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). 13

14 Myöstö ja jännityksen poistohehkutus - Jännitysten vähentäminen aiheuttamatta rakennemuutoksia - Jännityskorroosioriskin pienentäminen - Jännitykset voivat olla seurausta jähmettymisestä, jäähtymisestä, kuumennuksesta (esim. hitsaus, polttoleikkaus), työstöstä tai muokkauksesta tyypillisiä hitsatuissa ja voimakkaasti työstetyissä kappaleissa Toteutus ja rakennemuutokset - Lyhytaikainen hehkutus n C:ssa - Riittävä pitoaika jännitysten laukaisemiseksi - Jäähdytys hitaasti takaisin huoneenlämpötilaan - Jännitysten laukeaminen kimmomodulin pienenemisen myötä - Tyypillinen käsittely hitsatuille kappaleille Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Vedyn poistohehkutus - Vedyn poisto kuumentamalla - Vety aiheuttaa vetyläikkiä, halkeamia ja kaasuonkaloita - Viat saattavat syntyä vasta 2 20 päivän viiveellä valssauksesta - Kriittinen vetypitoisuus n. 0,5 1, 8 ppm - Sulaan teräkseen voi liueta jopa 30 ppm vetyä pyritään poistamaan ennen valua, mutta ei yleensä päästä sulassa alle 1,5 ppm:n Toteutus ja rakennemuutokset - Pitkä hehkutus (kymmeniä tunteja) matalahkossa lämpötilassa ( C) - Vedyn diffuusio kiinteässä teräksessa nopeutuu - Kulkeutuu pinnoille, jossa muodostaa vetykaasua ja poistuu teräksestä - Kesto riippuu vetypitoisuudesta ja kappaleen paksuudesta - Riskinä hiilenkato pinnalta - Toteutettava suojakaasussa jos halutaan välttää 14

15 Lämpökäsittelyt valimoissa Valukappaleiden lämpökäsittelyhehkutus. Valimoissa lämpökäsittelyjä tehdään - kaikille valuteräksille - joillekin valuraudoille - kevytmetallivaluille tietyissä käyttötarkoituksissa Valuterästen lämpökäsittelyjä - Normalisointi - Nuorrutus - Karkaisu ja päästö - Pehmeäksihehkutus - Jännityksen poistohehkutus - Hiiletyskarkaisu tai typetys - Erkautuskarkaisu - Bainitointi Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. Lämpökäsittelyt valimoissa Valurautojen lämpökäsittelyjä - Jännitysten poistohehkutus eli myöstö - Ferritointi - Perlitointi - Pehmeäksihehkutus - Nuorrutus - Pintakarkaisut - Austemperointi - Adusointi Kevytmetallien lämpökäsittelyjä - Homogenisointi - Pehmeäksihehkutus - Jännitystenpoistohehkutus - Stabilointihehkutus - Erkautuskarkaisu Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. 15

16 Lämpökäsittelyn onnistuminen Edellytyksiä - Lämpötilan tarkka hallinta - Kuumennus, pito ja jäähdytys - Atmosfäärin koostumuksen tarkka hallinta - Suojakaasut - Pitoaikojen tarkka hallinta - Riippuu kappaleen koosta ja muodosta Tyypillisiä epäonnistumisia - Ei-toivotun mikrorakenteen muodostuminen - Rakeenkasvu, haurautta aiheuttavat faasit - Jäännösjännitykset - Lämpötilajakauma vääränlainen - Voidaan päästä eroon seuraavissa vaiheissa - Hiilenkato - Suojakaasut - Hapettuminen ja hilseily - Vakuumi ja suojakaasut Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. Yhteenveto Metallien ominaisuuksiin vaikuttavat - Koostumus - Rakenne Rakennetta ohjataan lämpökäsittelyillä - Sarja kuumennus-, kuumanapito- ja jäähdytysvaiheita - Hehkutuskäsittelyt - Karkaisukäsittelyt - Termomekaaniset käsittelyt - Termokemialliset käsittelyt - Kuumennus - Valssaus Valukappaleiden lämpökäsittelyhehkutus on päättynyt. Lähde: Pekka Niemi Lämpökäsittely, ValuAtlas. 16