De smeedoven is de belangrijkste machine in elke smederij. Hij ontvangt koude staven of blokken en voert deze elke 30 tot 90 seconden af met precies de juiste temperatuur – doorgaans 1150-1250 °C voor staalsmeden – de hele dag, elke dag. Betrouwbaarheid en temperatuuruniformiteit zijn essentieel: een oven die 30 °C afwijkt van de ingestelde temperatuur kan de productie van een dag ruïneren, en een defecte oven legt de pers of hamer stil en stuurt het smeedteam naar huis.
MONTE INTELLIGENCE levert gasgestookte smeedovens – zowel batchovens (bogie-oven) als continue ovens (duwer-, loopbalk- en roterende oven) – aan smeedbedrijven in Azië en het Midden-Oosten. Dit artikel behandelt de ontwerp- en operationele factoren die de prestaties van een smeedoven bepalen.
De smeedtemperatuur voor staal ligt in het warmbewerkingsbereik, boven de herkristallisatietemperatuur waarbij het metaal zachter wordt en met lagere krachten kan worden vervormd. Voor middelmatig koolstofstaal en gelegeerd staal ligt het smeedtemperatuurbereik doorgaans tussen 1150 en 1250 °C. De bovengrens wordt bepaald door de verbrandingstemperatuur – de temperatuur waarbij het smelten van de korrelgrenzen begint (ongeveer 1250-1300 °C voor veel staalsoorten) – en door de snelheid waarmee de schaalvorming begint, die exponentieel toeneemt met de temperatuur. De ondergrens wordt bepaald door de benodigde smeedkracht en het risico op scheurvorming in het werkstuk.
De temperatuuruniformiteit in de smeedoven bepaalt de uniformiteit van de metaalstroom tijdens het smeden. Een staaf die aan het ene uiteinde 1200 °C en aan het andere uiteinde 1150 °C is, zal aan beide uiteinden anders vloeien, wat mogelijk kan leiden tot problemen met de matrijsvulling, maatafwijkingen of scheurvorming aan het koudere uiteinde. De standaardvereiste voor de temperatuuruniformiteit in de smeedoven is ±14 °C (klasse 5 volgens AMS 2750) tot ±28 °C (klasse 6). Deze eis is minder streng dan de uniformiteitseisen voor de warmtebehandeling, omdat het daaropvolgende smeedproces het metaal herverdeelt en eventuele kleine temperatuurvariaties worden gemiddeld.
Bij het smeden moet de opwarmingssnelheid een balans vinden tussen productiviteit en het risico op thermische spanningsscheuren in het werkstuk. Een staaf gereedschapsstaal met een diameter van 200 mm die vanaf omgevingstemperatuur met 100 °C per minuut wordt verwarmd, kan scheuren vertonen door de thermische spanning tussen het hete oppervlak en de koude kern. De maximaal veilige opwarmingssnelheid is afhankelijk van de staalsoort, de doorsnede en de begintemperatuur. Hooggelegeerd staal met een hoog koolstofgehalte vereist een lagere opwarmingssnelheid dan gewoon koolstofstaal. Koude staven in de winter (beginnend bij 0 °C) vereisen een lagere opwarmingssnelheid dan staven die vooraf zijn opgewarmd door opslag in een warme ruimte.
Schaalvorming is de oxidatie van het staaloppervlak tijdens het verhitten in de smeedoven. De schaallaag – ijzeroxide, FeO, Fe3O4, Fe2O3 – vertegenwoordigt een materiaalverlies (doorgaans 1-3% van het gewicht van de staaf), een versneller van de slijtage van de matrijs (de schaal is schurend en slijt de oppervlakken van de smeedmatrijs sneller dan schoon metaal) en een probleem met de oppervlakteafwerking (ingebedde schaal in het smeedoppervlak vereist meer nabewerking).
De snelheid waarmee schaalvorming optreedt, is voornamelijk afhankelijk van temperatuur en tijd. Bij 1200 °C vormt een staaf koolstofstaal in de lucht in 15 minuten ongeveer 0,1 mm schaal. Na 60 minuten kan de schaaldikte 0,3-0,5 mm bedragen. De exponentiële temperatuurafhankelijkheid betekent dat een temperatuurstijging van 50 °C in de oven de snelheid van schaalvorming kan verdubbelen. Dit is een van de redenen waarom nauwkeurige temperatuurregeling economische waarde heeft die verder gaat dan energiebesparing: het vermindert direct het materiaalverlies door schaalvorming.
Het verbranden van gas met minder dan de stoichiometrische hoeveelheid lucht, waarbij CO en H2 als verbrandingsproducten ontstaan, kan de vorming van aanslag verminderen. De CO en H2 reageren met ijzeroxiden en reduceren deze terug tot metallisch ijzer. Het werken met een brandstofrijk mengsel produceert echter roet, verhoogt de CO-uitstoot en brengt een veiligheidsrisico met zich mee (brandbare gassen in het rookgassysteem). Een bescheiden brandstofrijk mengsel – 5-10% minder dan de stoichiometrische hoeveelheid lucht, vaak een reducerende vlam genoemd – wordt in sommige smeedovens gebruikt om aanslagvorming tegen te gaan, maar dit vereist een zorgvuldige afstelling van de brander en monitoring van de rookgassen.
De doorvoer van een continu smeedoven is afhankelijk van de verwarmde lengte van de oven, de afmetingen van de knuppel en de benodigde verwarmingstijd. De verwarmingstijd voor stalen knuppels kan worden geschat op basis van de dwarsdoorsnede: ongeveer 5-6 minuten per 25 mm diameter voor ronde knuppels die worden verwarmd in een goed geroerde gasoven bij 1200 °C. Een knuppel met een diameter van 100 mm heeft ongeveer 22-25 minuten nodig om een uniforme smeedtemperatuur te bereiken. Met een verwarmde ovenlengte van 6 meter en een knuppelafstand van 200 mm op de bodem, passen er ongeveer 30 knuppels in de oven. Bij een verwarmingstijd van 25 minuten per knuppel is de doorvoer 30 / 25 × 60 = 72 knuppels per uur.
De circulatie van de ovenatmosfeer – de beweging van hete verbrandingsgassen rond de werkstukken – is het mechanisme voor convectieve warmteoverdracht. Natuurlijke convectie in een hete oven zorgt voor enige circulatie, maar voor een gelijkmatige verwarming bij een hoge doorvoer zijn recirculatieventilatoren nodig. Deze ventilatoren, meestal gemonteerd in het dak of de zijwanden van de oven, zuigen hete gassen uit de ovenkamer en blazen ze met hoge snelheid terug in de kamer. Dit creëert een geroerde omgeving die alle oppervlakken van de werkstukken gelijkmatig verwarmt.
De smeedovens van MONTE INTELLIGENCE zijn ontworpen voor continu gebruik (24/7) en beschikken over een robuuste vuurvaste bekleding, industriële branders en besturingssystemen die zijn geconfigureerd voor de thermische cycli die smeedprocessen vereisen.
Voor een offerte voor een smeedoven die aansluit op uw productiebehoeften, kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
