Vår testmiljö
Högskolan i Gävle har utvecklat en världsunik testmiljö för att utreda, utforma, testa och utvärdera nya kylkoncept för metalliska produkter.
Den världsomspännande konkurrenskraftiga marknaden för metallprodukter ställer högre krav på kvalitet inom branschen. Det leder till större behov av att implementera mer avancerade och kontrollerbara kylningstekniker i härdningsfasen av värmebehandlingsprocessen. För att kunna producera stålprodukter med bättre egenskaper är det mycket viktigt att kunna styra kylprocessen.
Tio år av utveckling
Under de senaste tio åren har en forskningsgrupp vid Högskolan i Gävle byggt upp och utvecklat Advanced Metals Living Lab. Det är en testmiljö bestående av både en bred samlad kompetens inom området och fysiska testutrustningar för att utreda, utforma, testa och utvärdera nya kylkoncept. Testmiljön banar väg för industriell tillverkning av metalliska produkter och komponenter med förbättrade egenskaper och med minskad användning av energi och ändliga råvaror i tillverkningsprocessen.
De fysiska testutrustningarna är installerade, kompetens och resurser för mätningar och numeriska beräkningar är uppbyggda, och verksamheten har med goda resultat testats i samarbete med partnerföretag. Testmiljön har en inriktning som passar väl för att stärka centrala delar av det regionala näringslivet, som exempelvis ståltillverkning, verkstadsindustrier, smedjor, gjuterier, m.fl.
Världsunik miljö
I testbädden finns två testanläggningar som är helt unika i världen. I vår anläggning kan forskarna testa flera kyltekniker i en kontrollerad process som till exempel specialstål där en exakt kylkurva kan testas, samtidigt som kyltekniken optimeras individuellt för varje industris behov. Arbetet är mycket komplicerat eftersom tekniken kan implementeras i många olika sammanhang, allt från tillverkning av stål i stora anläggningar till tillverkning av exklusiva komponenter.
Advanced Metals Living Lab
I vår testmiljö finns följande möjligheter:
- Testanläggning 1 för runda och långa metallprodukter
- Testanläggning 2 för platta metallprodukter
- Undersökning av material
- Egenutvecklade och kommersiella numeriska beräkningsprogram för simulering både kylning och fastransformation i värmebehandlingsproceduren
Testanläggning 1
Testanläggning 1 har konstruerats för att testa kylningsprocessen på runda och långa metallprodukter, t.ex. rör, stång och olika typ av verktyg och axel. Här kan vi bland annat undersöka hur olika produkter kan förbättras med stöd från optimering av befintliga kylningssystem samt undersöka potentialen med att använda en ny kylteknik med mer effektiv kylning. Det finns därför stora möjligheter för både stål- och SME-företag för utredning kring hur deras produkter kan förbättras.
Testanläggning 1 som har konstruerades för runda och långa metallprodukter
Temperatur av metallprodukter kontrolleras och mäts i olika positioner i materialet under uppvärmning och kylning process med hjälp av special termoelement och hög hastighet värme-kamera. Det finns kontrollsystem i testanläggningen att reglera vattenflöde och temperatur i kylning systemet.
Olika form av stålprodukter kan testas i testanläggningen
De mest populära härdnings- och kylningsprocesser som kan testas i testanläggning 1:
- Släckhärdning i vattenbassäng teknik
- Impinging jetteknik
- Spray jetteknik
Släckhärdning i vattenbassäng är en traditionell och populär kylteknik där stålmaterial värms upp till 815–900°C och sedan kyls ned i bassäng. Köldmediets temperatur och volymflöde i bassängen är viktiga parametrar som styr kylhastigheten under härdningsprocessen. Därför kan styrning av kylhastighet bli begränsad med just den här metoden. En viktig fördel som vi har i vår testanläggning är att vi kan testa släckhärdning i vattenbassängstekniken och jämföra kylning och materialets hårdhet med resultat från Impinging jet- och Spray jet-kyltekniker som är mer avancerade kyltekniker.
Visualisering av en stålstång placering i vattenbassäng i testanläggning 1
Dessa tekniker är mer avancerad kylningstekniker och det finns flera påverkande parametrar. Både teknikerna kan anpassas för komponenter med olika utformning. Det finns därför stora potentialer att genomföra användning av dessa kyltekniker för att förbättra stålets mekaniska egenskaper. Båda är effektivare kylningssystem med mindre resursanvändning (vattenåtgång och energianvändning)
Spray Jet och Impinging jet kylningstekniker
Testanläggning 2
Testanläggning 2 har konstruerats för kylning av metallplatta produkter, t.ex. tunnplåtsskyltning efter valsningsprocess. Vertikal rörelsemekanism i testriggen simulerar en reell produktionslinje och testplåten kan passera kylzonen med hastighet upp till 2,5 m/s. Kraftiga vattenpumpar med högtryck kan cirkulera stora vattenvolymer för specifika snabba kylningssystem. Testplåtens temperatur kontrolleras och mäts både under uppvärmning och under kylningsprocessen med speciella mätinstrument som mäter temperaturen upp till 1 000 gånger per sekund. En höghastighet-värmekamera kan monteras i testanläggningen och ge termografiska bilder av metallplåt som passerar kylzonen. Termografiska bilder hjälper forskarna att analysera kyleffekten på olika positioner på plåten och bidar till att förbättra kylningsjämnheten på platta produkter.
Testanläggning 2 för kylning av platta produkter
Numeriska beräkningsverktyg
Värmeöverföringssimulering ger information om temperaturförändringen i materialet som funktion av tiden och positionen (längs radien av stången till exempel). Utifrån temperaturförändringen kan man simulera när (i tiden) och var (avstånd från ytan) som det sker fastransformation och vilken som är startfasen (den som transformeras) och vilken som är produktfasen (den som bildas). Temperaturförändringen tillsammans med fastransformationen kommer att definiera slutproduktens mekaniska egenskaper. Temperaturförändringarna och fastransformationer kommer att resultera i termiska spänningar och i transformationsspänningar. Detta kommer att resultera i rest-spänningar.
Forskarna i Metal Cooling R&D living lab har utvecklat simuleringsverktyg som använder data från temperaturmätning under kylning till modellen. En kopplad simulering mellan värmeöverföring och fastransformation beräknar både temperaturförändringarna och fastransformationer under kylningsprocessen. Att simulera ett sådant komplext multifysiskt problem kan hjälpa till att optimera värmebehandlingsproceduren av respektive stålkomponent och att förutbestämma samt styra de resulterande mekaniska egenskaper, restspänningar.
