University of Oulu

The optimization of the scale growth model for line annealing in stainless steel production

Saved in:
Author: Vaarala, Karri1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.5 MB)
Pages: 104
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202108058841
Language: English
Published: Oulu : K. Vaarala, 2021
Publish Date: 2021-08-09
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Heikkinen, Eetu-Pekka
Laukka, Aleksi
Manninen, Timo
Reviewer: Heikkinen, Eetu-Pekka
Laukka, Aleksi
Description:

Abstract

The aim of this thesis was to optimize an industrial scale growth model for stainless steel annealing. The focus of the experimental work conducted for this thesis was on the effect of annealing temperature and atmosphere within the annealing furnace on the amount of scale formed during annealing. In addition, the effect of annealing time was studied through the means of microscopy. The results of the experimental work were fitted into mathematical models discovered during the literature review. Thanks to this, the amount of scale formed during annealing can now be predicted thermodynamically. A literature review was performed for this thesis on industrial scale final annealing, the fuels used in industrial scale processes and their effects on e.g., the scale growth during the process and existing mathematical modelling methods and appliances.

The experimental work consisted of simulating the annealing of cold rolled AISI 304, AISI 309 and AISI 441 on an industrial scale annealing- and pickling line. The purpose of the experiment was to simulate the scale growth taking place on an industrial scale annealing furnace and gather information on the effect of annealing temperature and atmosphere within the furnace on the amount of scale formed. Studied annealing temperatures ranged between 950–1250 °C and the holding time was 15 minutes. Three different atmospheres were used, simulating the usage of liquid natural gas burned with both air and oxygen enriched air as well as hydrogen burned with oxygen enriched air. In addition, stoppage experiments were conducted on AISI 304 with annealing times of one, five, ten and 15 minutes to study the effect of annealing time on scale growth. The experiments were conducted in a vertical tube furnace, with a weighing scale fixed above the furnace hanging and measuring the mass of the samples. The equipment used for microscopy was a FESEM-EDS.

In most cases it was noted, that a higher temperature would cause a higher amount of oxidation. None of the simulated atmospheres were found to cause explicitly more oxidation than the other two between the studied atmospheres, and differences varied from temperature to temperature. A longer annealing time was observed to cause more oxidation, as was expected. When comparing the simulated liquid natural gas burned with air to hydrogen burned with oxygen enriched air as a fuel, no major difference was found in the morphology or depth of the scale formed.

The results from experimental work were fitted into functional models. Using the Arrhenius-equation, activation energies and frequency factors could be calculated. These results permit the thermodynamic prediction of the amount of scale formed, and their implementation to an industrial scale.

Nauhahehkutuksen hilseenkasvumallin optimointi ruostumattomien terästen valmistuksessa

Tiivistelmä

Tämän työn tavoitteena oli optimoida teollisessa mittakaavassa käytössä oleva ruostumattoman teräksen loppuhehkutuksen hilseenkasvumalli. Työtä varten tehdyn tutkimuksen pääpainoina olivat hehkutuslämpötilan ja hehkutusuunissa vallitsevan atmosfäärin vaikutus hilseenkasvun määrään, jonka lisäksi hehkutusajan vaikutusta hilseenkasvuun tutkittiin mikroskopoimalla. Kokeellisen työn tulokset sovitettiin kirjallisuusselvityksessä löydettyihin malleihin, joiden ansiosta hilseenkasvua pystytään ennustamaan termodynaamisesti. Työtä varten suoritettiin kirjallisuuskatsaus liittyen teollisen mittakaavan loppuhehkutukseen, teollisissa prosesseissa käytettäviin polttoaineisiin sekä niiden vaikutuksista mm. hilseenkasvuun sekä olemassa oleviin matemaattisiin mallinnuskeinoihin ja niiden hyödyntämiseen.

Kokeellisessa osuudessa simuloitiin kylmävalssattujen AISI 304, AISI 309 sekä AISI 441 loppuhehkutusta hehkutus- ja peittauslinjalla. Kokeiden tarkoituksen oli simuloida hilseenkasvua tuotantolinjalla ja saada tietoa hehkutusolosuhteiden vaikututuksista muodostuvan hilseen määrään. Hehkutusolosuhteina käytettiin 950–1250 °C lämpötiloja, 15 minuutin pitoaikoja sekä kolmea eri atmosfääriä, jotka simuloivat maakaasun polttoa ilmalla ja happirikastetulla ilmalla sekä vedyn polttoa happirikastetulla ilmalla. Lisäksi AISI 304 ruostumattomalle teräkselle tehtiin pysäytyskokeita, joiden pitoajat olivat yksi, viisi, kymmenen ja 15 minuuttia hehkutusajan vaikutuksen tutkimiseksi. Kokeet suoritettiin pystysuorassa putkimaisessa hehkutusuunissa, ja näytteiden massaa mitattiin jatkuvasti uunin yläpuolelle kiinnitetyn vaa’an avulla. Mikroskopoinnissa käytettiin FESEM-EDS-laitteistoa.

Suurimassa osassa tapauksia korkeamman lämpötilan havaittiin aiheuttavan enemmän hapettumista. Yksikään simuloiduista atmosfääreistä ei noussut selkeästi kaikista eniten hapettumista aiheuttavaksi, vaan tilanne vaihteli tapauskohtaisesti. Pidemmän hehkutusajan havaittiin aiheuttavan enemmän hapettumista. Verrattaessa ilmalla poltettua maakaasua ja happirikastetulla ilmalla poltettua vetyä hehkutuksen polttoaineena, ei havaittu merkittävää eroa hilsekerrosten koostumuksen tai syvyyden suhteen.

Kokeellisesta työstä saadut tulokset sovitettiin toimiviksi havaittuihin malleihin, jonka tuloksena saatiin laskettua aktivaatioenergiat ja taajuustekijät Arrhenius-yhtälön avulla. Näiden tuloste ansiosta hehkutuksessa syntyvän hilseen määrä pystytään ennustamaan termodynaamisesti, ja tuloksia voidaan sovittaa teolliseen mittakaavaan.

see all

Subjects:
Copyright information: © Karri Vaarala, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.