Derin Okuma — İzleme Isıtma

Fırının kapısı açıldığında

Bir haddehanenin tav fırınında kapak kalktığında içeriden çıkan şey kırmızı bir ışık değil, sarıya çalan turuncu bir kütle. Yüzey sıcaklığı kabaca 1.250 derece. İçeride bekleyen çelik slab, dışarıdaki havayla temas ettiği anda yüzeyinden ısı kaybetmeye başlar. Ama işin tuhaf tarafı şu. Slabın merkezi hala neredeyse aynı sıcaklıkta. Yüzeyle merkez arasındaki fark, birkaç dakika içinde 200 dereceyi aşabilir.

Fark, çeliğin içinde bir gerilim haritası çizer. Yüzey büzüşmek ister, merkez direnir. Aradaki bağ kopmaz ama zorlanır. İzleme ısıtma tam bu noktada devreye girer. Amaç malzemeyi ısıtmak değil, ısıyı malzemenin içinde kontrollü biçimde dağıtmak. Peki bu dağıtımı yöneten fizik nedir?

Isının malzeme içinde yürüyüşü

Isı, metalin içinde iki yolla ilerler. Elektronların taşıdığı enerji ve kristal kafesin titreşimleri. Çelikte elektron taşınımı baskındır, bu yüzden ısı iletkenliği yüksektir. Kabaca 45-50 W/m·K bandında. Camda ise kafes titreşimleri öne geçer ve iletkenlik 1 W/m·K civarına düşer. Aynı fizik, iki farklı hız.

Isının yürüme hızı, malzemenin "termal difüzivite" denen bir katsayısıyla ölçülür. Bunu şöyle düşün. Bir odanın bir ucundaki soba, diğer uca ne kadar çabuk ulaşır? Difüzivite bu gecikmenin sayısıdır. Çelikte yüksek, camda düşük, seramikte çok düşük.

İzleme ısıtmanın ilk kararı buradan çıkar. Difüzivitesi düşük malzemede sıcaklık farkı büyür, dolayısıyla ısıtma ve soğutma daha yavaş yapılmalıdır. Kalın bir cam levha, ince bir çelik sacdan kat kat yavaş tavlanır. Kalınlık arttıkça süre karesiyle uzar.

Sayısal karşılığı şu. Karbon çeliğinin oda sıcaklığındaki difüzivitesi kabaca 12 mm²/s. Paslanmaz çelikte bu 4 mm²/s civarına iner, çünkü alaşım elementleri elektron taşınımını bozar. Alüminyumda ise 97 mm²/s gibi çok yüksek bir değer görülür. Aynı kalınlıktaki bir alüminyum slab, çelik slabdan yaklaşık sekiz kat hızlı homojenleşir. O yüzden alüminyum tav fırınları çok daha kısa çevrimle çalışır ve fırın boyu çeliğinkinin yarısı kadar olabilir.

Sıcaklıkla birlikte difüzivite de değişir. Çelikte 800 derecenin üzerinde difüzivite düşmeye başlar, çünkü radyatif ısı transferi baskın hale gelir ve kafes titreşimleri saçılır. Bu, ısıtma eğrisinin üst kısmında neden daha yavaş gidilmesi gerektiğinin fiziksel nedenidir. Eğri düzleşmezse yüzeyle merkez arasındaki fark kritik eşiği aşar.

Difüziviteye eşlik eden ikinci katsayı Biot sayısıdır. Malzemenin iç direnci ile yüzeydeki ısı transfer direncinin oranı. Biot 0,1'in altındaysa sıcaklık kesit boyunca neredeyse tek düze dağılır ve tek noktadan ölçüm yeterli olur. Biot 1'i aştığında iç ve dış sıcaklık ayrışmaya başlar. Kalın slablarda Biot 5-10 bandına çıkar ve merkez sıcaklığı model olmadan bilinemez hale gelir. İzleme ısıtmanın mühendislik yükü tam bu eşikten sonra başlar.

Eğrinin şekli neden önemli

Bir tavlama programı üç bölümden oluşur. Isıtma rampası, bekleme (homojenleştirme) ve soğutma rampası. Isıtma hızı genelde dakikada 3-8 derece bandında tutulur. Bekleme süresi, malzemenin en kalın kesitinin merkezinin yüzeye yaklaşmasını bekler. Kural kabaca şu. Her 25 mm kalınlık için 1 saat bekleme.

Bekleme kuralı doğrudan difüziviteden türetilir. Fourier sayısı 0,5'i geçtiğinde merkez sıcaklığı yüzeyin yüzde 90'ına ulaşır. Çelik için bu, 100 mm'lik bir kesitte kabaca 4 saatlik bir bekleme demektir. Paslanmazda aynı kesit 12 saati ister. Alaşım elementi oranı arttıkça bekleme süresi neredeyse doğrusal uzar, çünkü difüzivite düşerken ısıtma eğrisinin alt kısmı da yavaşlar.

Soğutma tarafı daha kritik. Hızlı soğutma sertlik kazandırır ama çatlama riski doğurur. Yavaş soğutma güvenlidir ama tavlama amacını boşa çıkarabilir. O yüzden fırın içinde kademeli soğutma yapılır. Önce 600 dereceye kadar kontrollü iniş, sonra 300 derecenin altında serbest soğumaya bırakma.

Kademeli inişin hızı malzemeye göre değişir. Karbon çeliğinde dakikada 20-30 derece kabul edilebilirken, yüksek alaşımlı çelikte bu değer dakikada 5-10 dereceye iner. Martenzitik paslanmaz çelikte ise 300-400 derece bandı en tehlikeli bölgedir, çünkü bu aralıkta dönüşüm gerilimleri en yükseğe çıkar. Soğutma eğrisi bu bantta neredeyse düzleştirilir.

Kritik soğutma hızı kavramı burada devreye girer. Her alaşımın, altında tavlama amacının kaybolduğu bir hız eşiği vardır. Karbon çeliğinde bu eşik saniyede 1-2 dereceyken, takım çeliğinde saniyede 20-30 dereceye çıkar. Eşiğin üstünde soğutmak sertlik getirir ama iç gerilim bırakır. Eşiğin altında soğutmak güvenlidir ama yumuşaklık korunur. İzleme ısıtmanın asıl marifeti, eşiğin hangi tarafta kalınacağını malzemenin son kullanımına göre seçmesidir.

Sıcaklık ölçümü de başlı başına bir iş. Yüzey sıcaklığı termokuplla okunur ama merkez sıcaklığı doğrudan ölçülemez. Bunun yerine ısı transferi modeli çalıştırılır ve merkez sıcaklığı hesaplanır. Modelin hatası, gerçek fırında 15-20 dereceye kadar çıkabilir. O yüzden emniyet payı bırakılır.

Termokupl seçimi de bir mühendislik kararıdır. K tipi (nikel-krom/nikel-alüminyum) 1.260 dereceye kadar çalışır ve endüstride en yaygın olanıdır. N tipi daha yüksek sıcaklıkta daha kararlıdır ama pahalıdır. S tipi (platin-rodyum) 1.600 dereceyi görür, ancak maliyeti K tipinin on katına çıkar. Fırın içine yerleştirilen termokupl sayısı genelde 6-12 arasındadır ve bunların hiçbiri merkezi okumaz, sadece modelin sınır koşullarını besler.

Ölçüm hatasının büyük kısmı termokuplun kendisinden değil, kablolama ve soğuk uç kompanzasyonundan gelir. Fırın duvarından geçen bir termokupl kablosu 60-80 dereceye kadar ısınır ve referans noktası kayar. Bir derece referans kayması, ölçülen sıcaklığa doğrudan yansır. O yüzden kompanzasyon kabloları fırın gövdesinden ayrı bir kanaldan geçirilir ve her bakımda kalibrasyon fırınıyla karşılaştırılır. Kalibrasyon aralığı tipik olarak altı aydır.

Enerji tarafı ve tesisin gerçek yükü

Bir tav fırını, tesisin en büyük tek enerji tüketicisidir. 50 ton kapasiteli bir fırın, bekleme fazında bile 1-2 MW çeker. Isıtma rampasında bu 4-5 MW'a çıkar. Enerji maliyeti, tavlama maliyetinin yarısına kadar ulaşabilir.

Fırın verimi, yalıtım kalitesiyle doğrudan bağlıdır. Refrakter duvar kalınlığı 300-450 mm bandında tutulur. Daha ince duvar ısı kaybını artırır, daha kalın duvar ısıtma süresini uzatır. Tesis mühendisleri bu dengeyi kurarken yıllık çalışma saatini de hesaba katar. Sürekli çalışan fırında kalın yalıtım kazanır, kesikli çalışanda ince yalıtım öne geçer.

Yalıtımın kar eşiği hesaplanabilir. Duvar kalınlığını 50 mm artırmak, ısı kaybını kabaca yüzde 15 azaltır. Ama aynı 50 mm, fırının ısınma süresini yüzde 8-10 uzatır. Yılda 6.000 saatten fazla çalışan bir fırında yıllık enerji tasarrufu, ilk yatırım farkını iki yılda geri öder. Yılda 1.500 saat çalışan bir fırında aynı yatırım hiç geri dönmez. Karar, fırının çalışma rejiminden çıkar.

Atmosfer kontrolü de maliyete girer. Çelik tavlamasında oksitlenmeyi önlemek için fırın içine azot veya argon verilir. Oksijen seviyesi 10 ppm altına indirilir. Bu, hem gaz maliyeti hem de sızdırmazlık gereksinimi demektir.

Fırın atmosferinin ölçüsü çiy noktasıdır. Tavlama gazının çiy noktası -40 derecenin altında tutulursa yüzeyde oksit oluşmaz. Çiy noktası -20 dereceye çıkarsa yüzeyde ince bir oksit tabakası belirir ve sonraki işlemlerde yüzey kalitesi bozulur. O yüzden fırın kapı contaları, fan keçeleri ve gaz giriş hatları düzenli sızdırmazlık testinden geçer. Bir contanın bozulması, tek başına bir partiyi hurdaya çıkarabilir.

Azot tüketimi de ölçeklenir. 50 tonluk bir fırında atmosfer hacmi kabaca 80-100 metreküp. Saatte 1-2 hacim değişimi hedeflenir, yani sürekli olarak saatte 100-200 metreküp gaz beslenir. Bir çevrim 12 saat sürerse, tek partide 1.200-2.400 metreküp azot tüketilir. Oksijen analizörü bu akışı kontrol eder ve seviye 10 ppm'in üstüne çıktığında gaz debisini otomatik artırır. Analizörün kendisi de kalibrasyon gerektirir, tipik olarak ayda bir.

Fırın içindeki sıcaklık dağılımı da tek noktadan ibaret değildir. İyi bir fırında bile kapı tarafı ile arka duvar arasında 10-15 derece fark olabilir. O yüzden yükleme planı yapılırken kalın kesitler fırının ortasına, ince kesitler kenarlara yerleştirilir. Aksi halde aynı partideki iki slab farklı tavlama geçmişine sahip olur ve bu, sonraki haddeleme adımında kalınlık sapması olarak geri döner.

Yükleme planının ikinci boyutu slab aralığıdır. Slablar arasında 100-150 mm boşluk bırakılmazsa konveksiyon akışı bloke olur ve orta bölgedeki slablar kenardakilerden 30-40 derece soğuk kalır. Fark, sonraki haddelemede mikroyapı sapmasına dönüşür. Çıkış kalınlığı aynı olsa bile tane boyutu farklı olur ve mekanik testlerde kopma uzaması tutmaz. Parti reddedilir, ama sebep fırın değil yükleme düzeni sanılır.

Piyasa Hafızası

2018 yılının sonbaharında, Almanya'nın Ruhr bölgesindeki bir çelik tesisinde tav fırını planlı bakıma alındı. Bakım süresi iki haftadan üç haftaya uzatıldı. Aynı dönemde otomotiv sektöründen gelen yassı çelik talebi beklenenin üzerindeydi. Fırın kapasitesinin devre dışı kalması, tesisteki nihai ürün sevkiyatını doğrudan vurdu. Avrupa spot çelik fiyatları o dönemde kısa sürede yüzde 8-10 bandında yükseldi. Olayın dersi şuydu.

Tavlama, üretim zincirinin görünmez ama atlanamaz halkasıdır. Fırın durduğunda haddehane çalışsa bile sevkiyat durur.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, 40 ton kapasiteli bir tav fırınının tek bir tavlama çevrimi için temsili maliyet dağılımını gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Enerji kalemi toplamın yüzde 5'i gibi görünüyor. Ama duyarlılık burada saklı. Elektrik fiyatı yüzde 50 artarsa toplam maliyet yüzde 2,7 yükselir. Fırın verimi yüzde 10 düşerse enerji kalemi yüzde 10 büyür, ama bekleme süresi uzadığı için işçilik ve amortisman da şişer. Gerçek kaldıraç, çevrim süresindedir. Süreyi yüzde 15 kısaltan bir optimizasyon, ton başına maliyeti yüzde 8-12 aralığında düşürür.

Duyarlılığın ikinci ucu fire tarafında. Fire oranı yüzde 1'den yüzde 2'ye çıkarsa, doğrudan maliyet 700 USD değil 1.400 USD olur ve ton başına maliyet yüzde 2 artar. Ama firenin gerçek bedeli burada bitmez. Yüzey oksitlenmesi nedeniyle reddedilen bir slab, yeniden tavlanmak zorundadır. Bu, fırında ikinci bir çevrim demektir ve o çevrimin enerjisi, gazı ve işçiliği doğrudan kardan düşer. Bir partinin yüzde 5'i yeniden işleme giderse, ton başına gerçek maliyet yüzde 15-20 bandına oturur.

Okuma çerçevesi

İzleme ısıtmayı üç katmanda okumak mümkün. Birincisi fizik katmanı. Isı, malzemenin içinde difüzivite hızıyla yürür ve kalınlıkla birlikte süre karesiyle uzar. Biot sayısı 1'i aştığında merkez sıcaklığı ölçülemez hale gelir ve model zorunlu olur.

İkincisi kontrol katmanı. Merkez sıcaklığı doğrudan ölçülemediği için model çalıştırılır ve emniyet payı bırakılır. Termokupl sayısı, kalibrasyon aralığı ve çiy noktası eşiği bu katmanın operasyonel sınırlarıdır. Üçüncüsü ekonomi katmanı. Enerji maliyeti görünürde küçük, ama çevrim süresi tüm maliyet zincirini aşağı çeker. Fire oranı ise kaldıracın ikinci ucudur.

Bir fırının kapısı kapandığında içeride olan şey ısı değil, zamandır. O zamanı kısaltan, malzemenin içindeki gerilimi değil, tesisin kar marjını değiştirir.