Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa

Translated title of the contribution: Energy savings in preheating when welding modern TMCP-type high strength steels

Pekka Nevasmaa, Risto Karppi

    Research output: Book/ReportReport

    Abstract

    Lujien rakenneterästen käyttö hitsatuissa rakenteissa on selvästi kasvanut viime vuosikymmeninä läntisten teollisuusmaiden ohella myös Suomessa. Lujat rakenneteräkset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen teräkseen verrattuna erityisesti vaativissa käyttösovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneterästen hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylmähalkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen käyttö on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkittävä kustannustekijä, mm. energia-, laite-, työ- ja läpimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää mahdollisuudet vähentyä lujien terästen esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta käyttämällä konventionaalisten lujien rakenneterästen asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-teräksiä. Hankkeessa tukeuduttiin sekä kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin että laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sisältyi teräksen kylmähalkeiluherkkyyttä ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkemällä kylmähalkeilukokeiden ilmoittama esikuumennuslämpötilan aleneminen TMEP-teräksillä vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa määritettiin säästö energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yhtä hirsimetriä kohden sekä vastaava säästöpotentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, että esikuumennustarvetta lujien rakenneterästen hitsauksessa voidaan merkittävästi vähentää ottamalla käyttöön uudentyyppisiä tehostetusti vesijäähdytettyjä AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-teräksiä konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen terästen asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekijöitä voidaan näin alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta vähensivät esikuumennuslämpötilan alentaminen, ainepaksuuden pienentärninen, lämpöhäviöiden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sekä hitsausenergian kohottamisen tuoma lisälämpövaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannussäästöt jäivät varsin vaatimattomiksi. Syynä tähän on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin työvoima- ja läpimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleensä vain n. 5 % esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 %:n muodostuessa työ-, laite-ja läpimenoaikakustannuksista. Mikäli säästövaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat säästöt yleensä suoria energiasäästöjä kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lisäsäästöjä kytkeytyy myös mahdollisuuteen hyödyntää teräksen lisääntynyt lujuus entistä ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energiansäästökysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mikäli lujien terästen käyttövolyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 %:n vuosivauhtia ja mikäli energian reaalihinta kohoaa eräänä yleiseurooppalaisen ympäristöpolitiikan instrumenttina. Työn tavoitteena haettuja suoria energiansäästöjä lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energiansäästöön hitsauksen esikuumennuksessa johti tässä tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannussäästömahdollisuuksien (sekä välillisten että välittömien) löytymiseen, jotka edelleen voidaan hyödyntää mm. energian käytön tehokkuuden lisääntymisenä koko tuotantoprosessissa.
    Original languageFinnish
    Place of PublicationEspoo
    PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
    Number of pages110
    ISBN (Print)951-38-4001-8
    Publication statusPublished - 1991
    MoE publication typeNot Eligible

    Publication series

    SeriesValtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita
    Number1268
    ISSN0358-5085

    Fingerprint

    Welding
    Steel

    Keywords

    • high strength steels
    • structural steels
    • welding
    • welded joints
    • cold cracking
    • heating
    • weldability
    • thermomechanical treatment
    • metal rolling
    • energy saving
    • energy consumption
    • cost analysis
    • costs
    • expenses
    • operating costs

    Cite this

    Nevasmaa, P., & Karppi, R. (1991). Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita, No. 1268
    Nevasmaa, Pekka ; Karppi, Risto. / Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1991. 110 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 1268).
    @book{c78fa1eef050449bbc9474dd1d598f53,
    title = "Energian s{\"a}{\"a}st{\"o} lujien ter{\"a}sten hitsauksen esikuumennuksessa",
    abstract = "Lujien rakenneter{\"a}sten k{\"a}ytt{\"o} hitsatuissa rakenteissa on selv{\"a}sti kasvanut viime vuosikymmenin{\"a} l{\"a}ntisten teollisuusmaiden ohella my{\"o}s Suomessa. Lujat rakenneter{\"a}kset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen ter{\"a}kseen verrattuna erityisesti vaativissa k{\"a}ytt{\"o}sovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneter{\"a}sten hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylm{\"a}halkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen k{\"a}ytt{\"o} on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkitt{\"a}v{\"a} kustannustekij{\"a}, mm. energia-, laite-, ty{\"o}- ja l{\"a}pimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvitt{\"a}{\"a} mahdollisuudet v{\"a}henty{\"a} lujien ter{\"a}sten esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta k{\"a}ytt{\"a}m{\"a}ll{\"a} konventionaalisten lujien rakenneter{\"a}sten asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-ter{\"a}ksi{\"a}. Hankkeessa tukeuduttiin sek{\"a} kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin ett{\"a} laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sis{\"a}ltyi ter{\"a}ksen kylm{\"a}halkeiluherkkyytt{\"a} ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkem{\"a}ll{\"a} kylm{\"a}halkeilukokeiden ilmoittama esikuumennusl{\"a}mp{\"o}tilan aleneminen TMEP-ter{\"a}ksill{\"a} vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa m{\"a}{\"a}ritettiin s{\"a}{\"a}st{\"o} energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yht{\"a} hirsimetri{\"a} kohden sek{\"a} vastaava s{\"a}{\"a}st{\"o}potentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, ett{\"a} esikuumennustarvetta lujien rakenneter{\"a}sten hitsauksessa voidaan merkitt{\"a}v{\"a}sti v{\"a}hent{\"a}{\"a} ottamalla k{\"a}ytt{\"o}{\"o}n uudentyyppisi{\"a} tehostetusti vesij{\"a}{\"a}hdytettyj{\"a} AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-ter{\"a}ksi{\"a} konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen ter{\"a}sten asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekij{\"o}it{\"a} voidaan n{\"a}in alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta v{\"a}hensiv{\"a}t esikuumennusl{\"a}mp{\"o}tilan alentaminen, ainepaksuuden pienent{\"a}rninen, l{\"a}mp{\"o}h{\"a}vi{\"o}iden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sek{\"a} hitsausenergian kohottamisen tuoma lis{\"a}l{\"a}mp{\"o}vaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannuss{\"a}{\"a}st{\"o}t j{\"a}iv{\"a}t varsin vaatimattomiksi. Syyn{\"a} t{\"a}h{\"a}n on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin ty{\"o}voima- ja l{\"a}pimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleens{\"a} vain n. 5 {\%} esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 {\%}:n muodostuessa ty{\"o}-, laite-ja l{\"a}pimenoaikakustannuksista. Mik{\"a}li s{\"a}{\"a}st{\"o}vaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat s{\"a}{\"a}st{\"o}t yleens{\"a} suoria energias{\"a}{\"a}st{\"o}j{\"a} kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lis{\"a}s{\"a}{\"a}st{\"o}j{\"a} kytkeytyy my{\"o}s mahdollisuuteen hy{\"o}dynt{\"a}{\"a} ter{\"a}ksen lis{\"a}{\"a}ntynyt lujuus entist{\"a} ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energians{\"a}{\"a}st{\"o}kysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mik{\"a}li lujien ter{\"a}sten k{\"a}ytt{\"o}volyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 {\%}:n vuosivauhtia ja mik{\"a}li energian reaalihinta kohoaa er{\"a}{\"a}n{\"a} yleiseurooppalaisen ymp{\"a}rist{\"o}politiikan instrumenttina. Ty{\"o}n tavoitteena haettuja suoria energians{\"a}{\"a}st{\"o}j{\"a} lujien ter{\"a}sten hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energians{\"a}{\"a}st{\"o}{\"o}n hitsauksen esikuumennuksessa johti t{\"a}ss{\"a} tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannuss{\"a}{\"a}st{\"o}mahdollisuuksien (sek{\"a} v{\"a}lillisten ett{\"a} v{\"a}litt{\"o}mien) l{\"o}ytymiseen, jotka edelleen voidaan hy{\"o}dynt{\"a}{\"a} mm. energian k{\"a}yt{\"o}n tehokkuuden lis{\"a}{\"a}ntymisen{\"a} koko tuotantoprosessissa.",
    keywords = "high strength steels, structural steels, welding, welded joints, cold cracking, heating, weldability, thermomechanical treatment, metal rolling, energy saving, energy consumption, cost analysis, costs, expenses, operating costs",
    author = "Pekka Nevasmaa and Risto Karppi",
    year = "1991",
    language = "Finnish",
    isbn = "951-38-4001-8",
    series = "Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita",
    publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
    number = "1268",
    address = "Finland",

    }

    Nevasmaa, P & Karppi, R 1991, Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita, no. 1268, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

    Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa. / Nevasmaa, Pekka; Karppi, Risto.

    Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1991. 110 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 1268).

    Research output: Book/ReportReport

    TY - BOOK

    T1 - Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa

    AU - Nevasmaa, Pekka

    AU - Karppi, Risto

    PY - 1991

    Y1 - 1991

    N2 - Lujien rakenneterästen käyttö hitsatuissa rakenteissa on selvästi kasvanut viime vuosikymmeninä läntisten teollisuusmaiden ohella myös Suomessa. Lujat rakenneteräkset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen teräkseen verrattuna erityisesti vaativissa käyttösovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneterästen hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylmähalkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen käyttö on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkittävä kustannustekijä, mm. energia-, laite-, työ- ja läpimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää mahdollisuudet vähentyä lujien terästen esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta käyttämällä konventionaalisten lujien rakenneterästen asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-teräksiä. Hankkeessa tukeuduttiin sekä kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin että laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sisältyi teräksen kylmähalkeiluherkkyyttä ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkemällä kylmähalkeilukokeiden ilmoittama esikuumennuslämpötilan aleneminen TMEP-teräksillä vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa määritettiin säästö energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yhtä hirsimetriä kohden sekä vastaava säästöpotentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, että esikuumennustarvetta lujien rakenneterästen hitsauksessa voidaan merkittävästi vähentää ottamalla käyttöön uudentyyppisiä tehostetusti vesijäähdytettyjä AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-teräksiä konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen terästen asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekijöitä voidaan näin alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta vähensivät esikuumennuslämpötilan alentaminen, ainepaksuuden pienentärninen, lämpöhäviöiden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sekä hitsausenergian kohottamisen tuoma lisälämpövaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannussäästöt jäivät varsin vaatimattomiksi. Syynä tähän on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin työvoima- ja läpimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleensä vain n. 5 % esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 %:n muodostuessa työ-, laite-ja läpimenoaikakustannuksista. Mikäli säästövaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat säästöt yleensä suoria energiasäästöjä kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lisäsäästöjä kytkeytyy myös mahdollisuuteen hyödyntää teräksen lisääntynyt lujuus entistä ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energiansäästökysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mikäli lujien terästen käyttövolyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 %:n vuosivauhtia ja mikäli energian reaalihinta kohoaa eräänä yleiseurooppalaisen ympäristöpolitiikan instrumenttina. Työn tavoitteena haettuja suoria energiansäästöjä lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energiansäästöön hitsauksen esikuumennuksessa johti tässä tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannussäästömahdollisuuksien (sekä välillisten että välittömien) löytymiseen, jotka edelleen voidaan hyödyntää mm. energian käytön tehokkuuden lisääntymisenä koko tuotantoprosessissa.

    AB - Lujien rakenneterästen käyttö hitsatuissa rakenteissa on selvästi kasvanut viime vuosikymmeninä läntisten teollisuusmaiden ohella myös Suomessa. Lujat rakenneteräkset tarjoavat usein kilpailukykyisen vaihtoehdon matalalujuuksiseen teräkseen verrattuna erityisesti vaativissa käyttösovelluksissa. Yleisin ongelma lujien rakenneterästen hitsauksessa on vedyn aiheuttama kylmähalkeilu, jonka eliminoimiseksi esikuumennuksen käyttö on tehokkaimpia keinoja. Esikuumennus on kuitenkin hitsaavassa valmistuksessa merkittävä kustannustekijä, mm. energia-, laite-, työ- ja läpimenoaikakustannuksina Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää mahdollisuudet vähentyä lujien terästen esikuumennustarvetta ja esikuumennuksen energiankulutusta käyttämällä konventionaalisten lujien rakenneterästen asemesta moderneja, aiempaa paremmin hitsattavia termomekaanisesti valssattuja TMEP-teräksiä. Hankkeessa tukeuduttiin sekä kirjallisuudessa esitettyihin tutkimustuloksiin että laboratoriakokeisiin. Koeohjelmaan sisältyi teräksen kylmähalkeiluherkkyyttä ja esikuumennuksen energiankulutusta mittaavia kokeita. Kytkemällä kylmähalkeilukokeiden ilmoittama esikuumennuslämpötilan aleneminen TMEP-teräksillä vastaavaan muutokseen esikuumennuksen energiankulutuksessa määritettiin säästö energiankulutuksessa ja -kustannuksissa yhtä hirsimetriä kohden sekä vastaava säästöpotentiaali valtakunnallisella tasolla. Todettiin, että esikuumennustarvetta lujien rakenneterästen hitsauksessa voidaan merkittävästi vähentää ottamalla käyttöön uudentyyppisiä tehostetusti vesijäähdytettyjä AeE HT-50- ja suorasammutettuja DQ-T HT-80-lujuusluokan TMEP-teräksiä konventionaalisten normalisoitujen ja nuorrutettujen terästen asemesta. Esikuumennuksen kaikkia kustannustekijöitä voidaan näin alentaa hitsattavan rakenteen valmistuksessa. Tehokkaimmin kokonaisenergiankulutusta vähensivät esikuumennuslämpötilan alentaminen, ainepaksuuden pienentärninen, lämpöhäviöiden eliminoiminen esikuumennuksen aikana sekä hitsausenergian kohottamisen tuoma lisälämpövaikutus. Markoissa mitaten suorat energiakustannukset ja -kustannussäästöt jäivät varsin vaatimattomiksi. Syynä tähän on ennen kaikkea energian halpa hinta Suomessa suhteessa korkeisiin työvoima- ja läpimenoaikakustannuksiin. Suorien energiakustannusten osuus onkin yleensä vain n. 5 % esikuumennuksen kokonaiskustannuksista valmistuksessa lopun 90...95 %:n muodostuessa työ-, laite-ja läpimenoaikakustannuksista. Mikäli säästövaikutuksia lasketaan esikuumennuksen kokonaiskustannuksista koko tuotantoprosessissa, ovatkin saavutettavat säästöt yleensä suoria energiasäästöjä kertaluokkaa suuremmat. Tuntuvia lisäsäästöjä kytkeytyy myös mahdollisuuteen hyödyntää teräksen lisääntynyt lujuus entistä ohuempina ainepaksuuksina. Hitsauksen esikuumennuksen energiansäästökysymykset korostuvat tulevaisuudessa, mikäli lujien terästen käyttövolyymi kasvaa edellisten vuosien tapaan n. 15 %:n vuosivauhtia ja mikäli energian reaalihinta kohoaa eräänä yleiseurooppalaisen ympäristöpolitiikan instrumenttina. Työn tavoitteena haettuja suoria energiansäästöjä lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa pystyttiin osoittamaan vain rajoitetusti. Sen sijaan pyrkimys energiansäästöön hitsauksen esikuumennuksessa johti tässä tutkimuksessa sellaisten huomattavien kustannussäästömahdollisuuksien (sekä välillisten että välittömien) löytymiseen, jotka edelleen voidaan hyödyntää mm. energian käytön tehokkuuden lisääntymisenä koko tuotantoprosessissa.

    KW - high strength steels

    KW - structural steels

    KW - welding

    KW - welded joints

    KW - cold cracking

    KW - heating

    KW - weldability

    KW - thermomechanical treatment

    KW - metal rolling

    KW - energy saving

    KW - energy consumption

    KW - cost analysis

    KW - costs

    KW - expenses

    KW - operating costs

    M3 - Report

    SN - 951-38-4001-8

    T3 - Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita

    BT - Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa

    PB - VTT Technical Research Centre of Finland

    CY - Espoo

    ER -

    Nevasmaa P, Karppi R. Energian säästö lujien terästen hitsauksen esikuumennuksessa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1991. 110 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 1268).