Warmtebehandeling van grote smeedstukken: Hoe Bogie-haardovens omgaan met wind-, stroom- en drukcomponenten
Een smeedstuk voor een generatorrotor van 200 ton gaat niet in een oven. Het gaat in een verrijdbare oven van 30 meter lang en 6 meter breed, met stralingsbuizen die een temperatuur van 1050 graden Celsius aankunnen, recirculatieventilatoren die 200.000 kubieke meter atmosfeer per uur verplaatsen en een temperatuuruniformiteit van plus of minus 5 graden Celsius van hoek tot hoek. Het smeedstuk blijft 5 tot 10 dagen op de verrijdbare oven liggen, waarbij het austenitisatieproces langzaam oploopt, urenlang op temperatuur blijft en gecontroleerd afkoelt. Als er een stap wordt overgeslagen, begeeft het smeedstuk het tijdens gebruik. Als alle stappen correct worden uitgevoerd, kan het smeedstuk 30 jaar lang in een energiecentrale functioneren.
Hieronder wordt uitgelegd hoe de warmtebehandeling van grote smeedstukken in de praktijk werkt.
Het uitgangspunt is de smeedspecificatie.
Hoofdassen van windturbines, generatorrotoren, turbinerotoren, drukvatwanden, componenten van kernreactoren - voor elk onderdeel is een warmtebehandelingsspecificatie in de ontwerpvoorschriften vastgelegd. ASME Sectie I, Sectie VIII, EN 10028, EN 10222 en diverse klantspecifieke specificaties (Siemens, GE, MAN, Mitsubishi) definiëren de vereiste mechanische eigenschappen, het temperatuurbereik, de wachttijd, de afkoelsnelheid en de testvereisten.
De specificaties bepalen de warmtebehandelingscyclus. Een typische warmtebehandelingscyclus voor grote smeedstukken ziet er als volgt uit:
Voorverwarmen (langzame opwarming van omgevingstemperatuur tot 400 à 600 graden Celsius met een snelheid van 50 à 100 graden Celsius per uur). De langzame opwarming voorkomt thermische schokken bij koud smeden.
2. Verwarmen tot de austenitisatietemperatuur (doorgaans 850 tot 950 graden Celsius voor normaliseren, 950 tot 1050 graden Celsius voor gloeien of afkoelen). De opwarmingssnelheid in deze fase is 100 tot 150 graden Celsius per uur.
3. Laat het materiaal op temperatuur blijven (1 tot 4 uur per 100 mm sectiedikte, soms langer). Door het op temperatuur houden wordt de temperatuur in het smeedstuk gelijkmatig verdeeld.
4. Gecontroleerd afkoelen. Bij het normaliseren koelt het smeedstuk af in stilstaande lucht. Bij het gloeien koelt het in de oven af tot onder de 400 graden Celsius met een gecontroleerde snelheid. Bij het afschrikken wordt het overgebracht naar een water- of oliebad.
5. Ontlaten (opnieuw verhitten tot 550 tot 700 graden Celsius, op temperatuur houden, laten afkoelen). De ontlaatstap wordt voor sommige specificaties herhaald.
Het smeden van een werkstuk met een dikte van 500 mm duurt in deze cyclus 3 tot 5 dagen, van laden tot lossen. De oven is voor de hele cyclus bezet - er is geen mogelijkheid om een kleinere lading ertussen te plaatsen.
Temperatuuruniformiteit is de doorslaggevende factor.
Voor een 30 meter lange oven met een smeedstuk van 200 ton moet het temperatuurverschil tussen het warmste en koudste punt in de ovenkamer tijdens het gloeiproces maximaal 5 tot 10 graden Celsius bedragen. Bij een groter verschil ontwikkelt het smeedstuk een ongelijkmatige microstructuur. De koude plekken normaliseren of gloeien onvolledig, de warme plekken worden korrelgrover en de mechanische eigenschappen variëren over het hele smeedstuk.
Om die uniformiteit te bereiken, is een serieus recirculatiesysteem nodig. De oven heeft ventilatoren of jets met hoge snelheid die hete gassen van bovenaf aanzuigen en door het werkstuk naar beneden persen. De ventilatormotoren hebben een vermogen van 30 tot 75 kW per stuk, en er zijn er 4 tot 8 verdeeld over de kamer. De recirculatiekanalen zijn zo gedimensioneerd dat ze 150.000 tot 300.000 kubieke meter atmosfeer per uur verplaatsen.
De opstelling van de stralingsbuizen is ook ontworpen voor uniformiteit. De buizen zijn in zones gerangschikt - doorgaans 4 tot 6 zones in de lengte van de oven en 2 tot 3 zones van boven naar beneden. Elke zone heeft zijn eigen branderset en zijn eigen temperatuurregelingslus. Het besturingssysteem leest meerdere thermokoppels in elke zone uit en regelt de verbrandingssnelheid van de brander om de ingestelde temperatuur te handhaven.
De plaatsing van de thermokoppels is cruciaal. De controlethermokoppels bevinden zich doorgaans op 1,5 tot 2 meter afstand van het werkstukoppervlak, in de gasruimte. De testthermokoppels worden in geboorde gaten in teststukken of in spanningsarme zones van het eigenlijke smeedstuk geplaatst. De testthermokoppels vormen het officiële bewijs van de warmtebehandeling – ze bevestigen dat het smeedstuk daadwerkelijk de vereiste temperatuur gedurende de vereiste tijd heeft bereikt.
Voor kritische componenten (nucleaire, hogedrukrotoren) kan de specificatie vereisen dat er meerdere thermokoppels in het smeedstuk aanwezig zijn, zowel in het dikste als in het dunste gedeelte. De datalogger registreert alle thermokoppels gedurende de hele cyclus, en deze gegevens maken deel uit van het kwaliteitscontrolepakket voor het smeedstuk.
De inweektijd is afhankelijk van de sectiedikte.
De vuistregel is 1 uur per 25 mm sectiedikte voor austenitisatie, soms 1 uur per 20 mm voor hooggelegeerde staalsoorten. Een smeedstuk van 500 mm dik heeft 20 tot 25 uur gloeitijd nodig nadat de oven de ingestelde temperatuur heeft bereikt. Dit komt bovenop de opwarmtijd. Het opwarmen zelf duurt 8 tot 12 uur bij een opwarmsnelheid van 100 graden Celsius per uur.
De totale cyclus wordt gedomineerd door het opwarmen en het vasthouden van de temperatuur. Het afkoelen gaat meestal sneller, vooral bij normaliseren (afkoeling in stilstaande lucht) of bij afschrikken in olie (het afschrikken zelf duurt 4 tot 8 uur voor een smeedstuk van 200 ton). Het afkoelen van de oven tot 400 graden Celsius duurt 6 tot 10 uur, afhankelijk van de gewenste afkoelsnelheid.
De atmosferische controle is de variabele die de toestand van het oppervlak bepaalt.
Voor spanningsvermindering en normalisatie is een licht oxiderende atmosfeer acceptabel; het smeedstuk ontwikkelt een dunne oxidelaag die na de warmtebehandeling door middel van straalbewerking wordt verwijderd. Voor gloeien of voor componenten die een machinaal bewerkte oppervlakteafwerking vereisen, is een gecontroleerde atmosfeer nodig om de vorming van aanslag en ontkoling te minimaliseren.
De atmosfeer wordt geregeld door een lichte overdruk in de oven te handhaven (doorgaans 1 tot 5 mbar boven de atmosferische druk) en een kleine hoeveelheid lucht of inert gas toe te voeren. Sommige grote bogie-ovens hebben een volledig moffelontwerp – een gasdichte binnenkamer die het werkstuk isoleert van de verbrandingsgassen. De moffel is duur, maar biedt een nauwkeurige regeling van de atmosfeer.
Voor onderdelen die een oppervlak moeten hebben dat vrij is van koolstofafzetting (zoals lagerzittingen op grote rotoren), schrijft de specificatie een beschermende atmosfeer voor – meestal stikstof met een paar procent reducerend gas (waterstof of gedissocieerde ammoniak). De oven wordt afgesloten, de lucht wordt verwijderd en de beschermende atmosfeer wordt gedurende de hele cyclus gehandhaafd. De diepte van de koolstofafzetting is in deze modus doorgaans beperkt tot 0,5 mm of minder.
Het laden en lossen van grote smeedstukken is een omvangrijke operatie.
Voor een smeedstuk van 200 ton op een draaistel is een zware hijskraan nodig – doorgaans met een hefvermogen van 300 tot 500 ton en een hijsbalk. Het laden duurt 30 tot 60 minuten met een volledige bemanning. Het smeedstuk arriveert in de ovenruimte, de kraan tilt het op, het draaistel wordt gepositioneerd, het smeedstuk wordt op de ovenbodem neergelaten en de hijsinstallatie wordt verwijderd. Vervolgens rijdt het draaistel de oven in, de deur sluit en de verhittingscyclus begint.
De opspaninrichting voor een groot smeedstuk is doorgaans een zware stalen of gegoten basis met positioneringselementen. Voor een rotoras kan de opspaninrichting een lange reeks V-blokken zijn die over de lengte zijn verdeeld en de as op meerdere punten ondersteunen. Voor een ring of behuizing is de opspaninrichting een vlakke basis waarop het onderdeel rechtop staat.
Het lossen verloopt in omgekeerde richting: de transportwagen rijdt naar buiten, de kraan pakt het smeedstuk op en het smeedstuk wordt naar de volgende bewerking getransporteerd (verspanen, testen of verdere warmtebehandeling). De kraanmachinist werkt vanuit een cabine met airconditioning, omdat de stralingswarmte van het smeedstuk intens is: 200 tot 500 graden Celsius aan het oppervlak, zelfs na de loscyclus.
Kortom: de warmtebehandeling van grote smeedstukken is een specialistische bewerking die het volgende vereist:
- Een grote, goed uitgeruste bogie-haardoven
- Nauwkeurige atmosfeerregeling
- Ervaren operators die de specificaties begrijpen
- Zware hijskranen en bijbehorende hulpstukken
- Gedetailleerde cyclusdocumentatie voor elke warmtebron
Auteur: MONTE INTELLIGENCE, team voor grote warmtebehandelingen van smeedstukken. Voor studies naar warmtebehandelingen van smeedstukken en audits van ovens kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
