Transport och hantering av smält metall

Tomas Liljenfors, Vd på Bryne

Transport och hantering av smält metall

Lönsamhet och hållbarhet

Tidigare i denna artikelserie har jag påstått att hållbara lösningar också är ekonomiskt hållbara. Det var då det. Den senaste tiden har jag konstaterat att den elektrifiering av smältverk som ofta har påskyndats av ekonomiskt stöd från myndigheter idag är långt från konkurrenskraftig. Det är till och med så illa att de företag som har konverterat från fossila bränsle till el för att smälta metall riskerar att gå i konkurs. De flesta smälterier drivs av gasol, som är en restprodukt vid raffinering av råolja, d.v.s. ett fossilt bränsle. Gasol har, precis som bensin och diesel, haft en prisökning på runt 30 % det senaste halvåret. Det är visserligen inte att förringa men försumbart i jämförelse med den ökande energikostnaden för de smälterier som drivs av el. I södra Sverige har vi sett kostnadsökningar på så mycket som 10-20 gånger. Självklart finns det inte marginaler för att öka en av de största kostnadsposterna hos ett företag utan att höja priset på de tillverkade produkterna. Konkurrerande företag som inte har energikonverterat från fossila bränslen till el kan hålla ett lågt pris, vilket innebär att kunderna snabbt kommer att försvinna från det mer hållbara tillverkningsalternativet till ett lågprisalternativ. Det är ju trots allt så att de flesta som köper in produkter än idag handlar, efter devisen att hållbarhet visserligen är oerhört viktigt men att det samtidigt inte får kosta mer. Företag som energikonverterat och som dessutom överlever energikrisen tror jag dock är mer rustade för framtiden när energipriser återigen blir, ja just, hållbara. Vi fortsätter i artikelserien vår resa mot en hållbar och förhoppningsvis en dag också lönsam konvertering från fel till rätt. En besparing genom att minska på energiförbrukning av elektricitet är idag mer behövd än någonsin. Det finns i de flesta gjuterier mycket energi att spara i metallhanteringen av smält aluminium. Här kommer några tips som kan spara både energi och aluminium.

Korund är en aluminiumoxid som växt till och bildat en nästan diamanthård förorening.

Icke-ekonomisk tillväxt för smält aluminium

Aluminium har för gjutlegeringar en smälttemperatur som beror främst på halten kisel i en legering. Vanliga gjutlegeringar har en stelningstemperatur mellan 550-660°C. För att det ska går att arbeta med den smälta metallen utan att den stelnar innan det är tänkt så behövs en viss övertemperatur. Är övertemperaturen för hög så ökar värmeförlusterna, men också oxidationstakten och upptag av vätgas från luftens inlösta vatten. Oxidation sker när syre reagerar med aluminium och bildar en oxidfilm på metallbadets yta. Dessa oxidfilmer fortsätter att åldras när de sjunker ned i metallen och övergår från att vara en tunn film till tjockare partiklar. Slutprodukten är en kristall-klump som kallas korund och som vanligtvis hittas i botten av ugnar och kan vara flera centimeter i storlek. För legeringar innehållande magnesium är det främst magnesiuminnehållande oxider, eller rättare sagt spineller, som bildas i kontaktytan mellan den smälta metallen och omgivande luft. Spineller är svarta till färgen och växer oftast vid metallbadytan, i kontakt med luft på ugnsväggen på den platsen med bäst lufttillförsel.

Spinell är en förening mellan aluminium, magnesium och syre som bildas på ytan av metallen, men oftast växer till invid ugnsväggen. I dennagjutugn syns spinelltillväxt som en stor svart påbyggnad, ca 30 cm långoch 5 cm bred, uppe till vänster mellan badytan och keramiken. Spinellenväxer ofta på det ställe där lockets packningen inte sluter tätt ochdet är riktigt varmt.

En för låg metalltemperatur i den smälta metallen resulterar i att metallen fryser, det vill säga stelnar i förtid, vilket skapar dåliga produkter vid gjutning. Vid lägre temperaturer kan också så kallade intermetalliska föreningar bildas då metaller reagerar och skapar fasta partiklar i metallen. För legeringar med högt järn- och manganinnehåll kan till exempel slampartiklar bildas, vilka är föreningar av aluminium, järn, mangan och krom. Dessa partiklar löses upp när temperaturen ökar men det är en långsam process. En bildad intermetall kan skapa stor skada om den följer med aluminiumet till en produkt.

Tappning

Metall som smälts behöver ofta flyttas från en ugn till en annan. När flytande aluminium ska transporteras från ett ställe till ett annat finns flera alternativ. Att hälla metall är ett processteg som helst bör undvikas. När metallen hälls från ett kärl till ett annat är fallhöjden avgörande för vilken påverkan processteget har.

Den höga temperaturen gör att metallen reagerar med omgivande atmosfär, där speciellt luftfuktigheten påverkar inlösningen av vätgas och oxider. Speciellt en sensommardag med hög lufttemperatur och luftfuktighet. En hög tapphöjd gör att metallen suger med sig luft ned i metallen så att luftbubblor skapas och antalet luftbubblor ökar exponentiellt med tapphöjd. Det är inte ovanligt med tapphöjder över en meter vilket ger många luftbubblor och därmed stora förluster av värme och aluminium. Föreningar mellan syre och metall ger slaggproduker, till exempel oxidfilmer, korund eller spineller, som bör avlägsnas från metallen. Om de följer med i den tillverkade produkten påverkar de verktygslivslängder negativt och ger sämre produktegenskaper. Bildandet av metall-oxider minskar utbytet och ger oåtergivliga förluster av aluminium. Om det går att transportera flytande aluminium utan att falla så är det mycket vunnet.

Slam-partikel sett med ett optiskt mikroskop vid en förstoring av ca 100x. Bilden visar en pressgjuten detalj där ett skärstål har försöktskära genom partikeln men gått bet. Slam bildas vid för lågmetalltemperatur, i till exempel ugnar, hos legeringar med höga halterav järn, mangan och krom. De växer snabbt i storlek och kan bli fleracentimeter långa. Precis som korund och spinell är slam riktigt hårdakristaller som trasar sönder borr och frässtål som tändstickor närprodukterna maskinbearbetas efter gjutning.

Tappning av öl genom att låta ölen rinna längst med ölglasets kant ger ett lugnare flöde och mer bevarad kolsyra. Om tappningen sker i en bastumed en varm öl försvinner det mesta av kolsyran. För flytande aluminiumär det på samma sätt. En hög metalltemperatur kombinerat med en högtapphöjd ger alltså en metall med dålig kvalitet.

Rännsystem för transport av metall där metallen hälls ned i rännan för att därefter flöda genom ett rör ner till nästa nivå. På detta sätt kan fallhöjden minskas.

Transport av flytande aluminium i rännor

Rännor där aluminium flyter fritt är vanligt men en utmaning när det kommer till temperaturförluster. Rännorna är tillverkade av ett keramiskt material som inte påverkas av smält metall men keramen värms upp av metallen genom att ta energi från det smälta aluminiumet. Kontinuerliga processer där aluminium i stora mängder passerar kan ha längre rännsystem som då värms upp och bibehåller värmen så länge metallen flödar. För mindre mängder metall eller långa rännsystem så kyls metallen ned kraftigt. Detta leder till att metalltemperaturen måste höjas inför transport för att kompensera för rännornas energiförlust. En lösning är att man tillför värme i rännorna genom att placera värmeslingor ovanför rännan med ett lock över. Det är dock inte helt enkelt att justera ett rännsystem så att temperaturen hålls konstant över tid. När ett rännsystem är inställt är det relativt underhållsfritt system med låg personalintensitet.

Rännor som lutar mer än ett par grader kommer att skapa turbulens när metallen rinner. Turbulens gör att aluminiumet suger in luft från ytan som reagerar med aluminium så att föroreningar som aluminiumoxider och vätgas ansamlas i metallen. Ett enkelt sätt att konstatera om lutningen är för hög är att se så att ytan på den flödande metallen ligger stilla. Är oxiden obruten och metallen flödar under är lutningen lagom. Blir temperaturförlusten i rännan för hög är det ett tecken på att flödet eller rättare sagt lutningen är för låg. När mindre mängder metall ska transporteras väljer man oftast en hög vinkel för att undvika onödig temperaturförlust, vilket resulterar i mer förorenad metall.

Transportdegel

En transportdegel, eller skänk, är en flyttbar bytta som kan bära flytande aluminium. Den kan förflyttas av traverser eller truckar men finns också för rälstransport. En skänk består av ett stålhölje, isolering samt ett murat eller gjutet keramiskt hölje. Idag är de flesta skänkar försedda med öppningsbara lock, vilket minskar risken för spill men framför allt minskar värmeläckage. Det finns idag möjlighet att fylla på skänkar med metall utan att öppna locket, vilket sparar mycket energi. Värmeisoleringen är viktig för en skänk, men eftersom den smälta metallen inte förvaras en längre tid i en skänk så är det främst uppvärmningen som är viktig. En transportskänk ska alltid värmehållas i en värmestation när den inte används. De flesta gjuterier som använder sig av transportskänkar har problem med temperaturstabilitet. En skänk som används för uttransport på förmiddagen, men efter lunchrast fylls på igen kan ha 50°C lägre metalltemperatur. Detta är så klart mycket dåligt både för värmeekonomin och för processtabiliteten. Det finns också en tradition att utföra smältbehandling av metallen i en skänk utan lock. En avgasningsoperation eller tillsats av legeringsämne sker i en öppen skänk. När ett problem åtgärdas, genom rening eller legeringstillsats, så skapas ett annat – temperaturnedgång.

Skänkar bör värmas mellan metallpåfyllningar för att minimera temperaturförluster på metallen. En varierande metalltemperatur ärabsolut den vanligaste orsaken till gjutfel. Bilden överst visarden dansktillverkade värmelocket från Stötek (sedd underifrån) och tillhöger ett svensktillverkat värmelock med tillhörande transportdegel frånCalorMet.

Flyttbara ugnar

Hållugnar som med travers eller truck kan flyttas från ett ställe till ett annat är flyttbara. Vad som skiljer dessa från en transportdegel är att de har inbyggt värmesystem som flyttas med ugnen. Ett värmesystem ger extra vikt vilket gör att själva ugnen blir tyngre att lyfta. Det finns också ugnar på hjul eller räls som inte lämnar marken. Med flyttbara ugnar ökar flexibiliteten i ett gjuteri genom att det är lätt att byta legering. I en flyttbar ugn får metallen också tid att vila och tappning från en ugn till en annan minimeras. Flyttbara ugnar är en ovanlig företeelse bland svenska gjuterier men används flitigt på andra platser. Vid nykonstruktion av gjuterier är flyttbara ugnar ett utmärkt sätt att skapa en god värmeekonomi och hög processtabilitet. Att införa flyttbara ugnar i en befintlig produktionslokal är oftast en utmaning.

Omrörning med tillförsel av inert gas genom impellerbehandling i öppen skänk utan värmekälla löser ett problem men skapar ett annat.Behandling i skänk bör genomföras med värmeisolerande lock på och medvärmekälla.