10 minute read
Rening av aluminium
Text av Tomas Liljenfors, vd Bryne
Rening av aluminium
Min frus farfar sa ”maskarna i äpplet är också äpple” och åt dem med god aptit.
Tyvärr kan man inte vara riktigt lika tolerant med de ökande halterna av legeringsämne vid framställning av aluminium. Vad ska man då göra åt de föroreningar som ökar med användningen av CO2-reducerande elektroder i elektrolysprocessen eller som uppkommer vid ökad användning av återvunnet material? I detta nummer sammanfattar vi en litteratursökning som gjorts inom området rening av aluminium och försöker sätta en lite mer praktisk prägel på resultaten. Häng med!
Ni som har hängt med i denna artikelserie vet att aluminium inte går att återvinna oändligt antal gånger som skrönan säger. Eftersom aluminium oxideras i varje återvinningscykel så förbrukas en del av aluminiumet för varje gång en aluminiumprodukt åter smälts om. Vad som också påverkar kretsloppet är de föroreningar som tillförs vid återvinning, dels från produktanvändandet i form av till exempel legeringsämne och skruvförband, dels från föroreningar från andra skrotdetaljer. Pre-konsument-skrot (industriskrot) är därför oftast renare än post-konsument-skrot eftersom risken för sammanblandning av olika skrotsorter är lägre. Skruvar, balanseringsvikter och andra föroreningskällor finns inte i pre-konsumentskrot. Pre-konsumentskrot är idealt för slutna industriella loopar, där skrotet omsmälts och blir samma materialslag som tidigare. Degraderingen av skrotet är noll vid cirkulära loopar, som till exempel återvinningssystemet för pantburkar, och är därmed mer hållbart än när skrotråvara av till exempel plåt efter omsmältning blir en gjutlegering. För att ha ett hållbart kretslopp av aluminium behöver vi använda allt skrot som faller, både post- och pre-konsumentskrot. En låg degradering av skrot och en användning av all skrotråvara, gärna lokalt utan onödiga transporter, ger ett mer hållbart kretslopp. Att använda alla typer av skrot innebär att vi måste bli bättre på att sortera bort föroreningar innan omsmältning men vi måste också bli bättre på att rena den smälta metallen från oönskade ämne.
Föroreningar i aluminium är oftast ämnen som kan vara ett legeringsämne i en legering men vara en förorening i en annan. Det bästa är alltid att kunna använda föroreningar till legeringar där de faktiskt har nytta, eller i alla fall inte är skadliga. Ett intressant exempel är skjuvning av oxider i aluminium där större oxidföroreningar skjuvas sönder genom en roterande mekanism. De mindre oxiderna påverkar inte de mekaniska egenskaperna negativt som de större gör, samtidigt som de små oxiderna kan ge ett extra värde eftersom de kan fungera som kornförfinare vid stelning.
Skrot från plåt har en sammansättning som för vissa tillämpningar inte är lämplig. Att minska halten legeringsämne är för vissa ämnen lättare och därmed inte så kostsamt. De flesta grundämnena är svåra att rena när de är lösta i aluminium, speciellt ju lägre halter som kan accepteras. Rening blir vid låga koncentrationer en långsam process. För aluminium handlar traditionell rening framför allt om att avlägsna oönskade ämnen innan omsmältning, genom att krossa skrotet och därefter separera delar tillverkade av järn eller andra material. Går det inte att rena bort ett legeringsämne så får man helt enkelt späda legeringen, genom att tillsätta en renare råvara för att kompensera för en hög föroreningshalt. Ofta använder man en jungfrulig aluminiumråvara för att späda om föroreningshalterna behöver sänkas. Att späda aluminium med återvunnen råvara går också bra under förutsättning att skrotet är tillräckligt rent. Skickligheten med att återvinna aluminium är att planera skrotsammansättningen så att man tar lite av en sorts skrot, lite mindre av en annan och ännu mindre av en tredje så att smältan sammantaget får en kemisk sammansättning som är nära, men under satta krav. Vid traditionell återvinning handlar det ofta om järn, zink, koppar, tenn men även mer udda ämnen som vismut, och antimon. Det finns olika tekniker för att separera föroreningar i den smälta metallen.
Reningstekniker
Nedan följer en sammanställning av reningstekniker:
Kristallisation innebär att föroreningar bildar fasta föreningar som sedan kan avlägsnas från metallen. Ett exempel är slam som bildas i smält aluminium vid låg temperatur. Dessa innehåller järn, mangan och krom. Att kristallisera slam innebär att rena metallen från dessa ämnen. Kristallisationen kan göras mot borttagbara plattor som beläggs med den bildade kristallen och sedan avlägsnas från metallen. Alternativt så kristalliseras föroreningarna i den smälta metallen som därefter sedimenteras eller filtreras. Kristallisation är en långsam process men med potential att rena från de flesta förekommande legeringsämne, speciellt järn och mangan. Hur man ska kunna tillvarata de bildade kristallerna är dock inte självklart.
Sedimentering innebär att densitetsskillnader i den smälta metallen ger en separation när gravitationen gör att tyngre faser faller till botten och lättare kommer närmre ytan. För faser med stor densitetsskillnad går sedimentationen snabbt, men för liknande densitet tar det många timmar innan faser separeras. Sedimenteringsprocessen påskyndas genom att använda fluxning eller flotation.
Fluxning är idag standard i de flesta smältoperationer. Ett reningssalt (flux) rörs ned i metallen och reagerar med värmen. Beroende på vad fluxet innehåller så ser reningen olika ut, men generellt reagerar avsedda ämnen och bildar en lättare eller tyngre fas som sedan kan floteras/sedimenteras eller filtreras. De flesta flux innehåller klorider och fluorider för att reagera med föroreningarna, vilka skapar diverse fluoroch klorföreningar. Tekniken är välutvecklad industriellt och lämplig för stora volymer.
Flotation är en teknik där ett ämne reagerar och bildar gas, eller att en gas förs ned i den smälta metallen. Gasbubblorna drar med sig inlösta gaser som väte från metallen men lyfter också upp fasta föroreningar, speciellt de med stor yta och låg densitet, som oxidfilmer. Det finns också kemisk reaktiv flotation, där gasen reagerar (jämför med flux) och för reagensen till ytan. Impellerrening är vanligt förekommande på gjuterier där en propeller fördelar ut gaspartiklar i smältan (se bild). Flotation är vanligt förekommande men hanteringen av reaktiva gaser en stor säkerhetsrisk.
Filtrering innebär att fasta partiklar silas bort från metallen. Metallen flyter genom filtret och partiklar större än hålen fastnar och bildar en kaka. Filterkakan som bildas medger att även mindre partiklar fastnar i filtret, men kan också täppa till filtret om föroreningshalten är stor. Filter finns i olika storlekar och kan prak- tiskt filtrera partiklar ner till ca 20 mikrometer och med kaka ner till ca 10 mikrometer. Filtrering är liksom flotation tillämpat och relativt billigt att genomföra industriellt.
Destillation är att man kokar bort ett eller flera legeringsämnen. Speciellt ämnen med låg kokpunkt är lättare att förånga. Destillation är en långsam teknik som kräver vakuum för att påskynda reningen. Sammantaget gör det tekniken dyr för storskalig industriell användning.
Flytande avskiljning innebär en avskiljning av ämnen som stelnar vid en låg temperatur. Legeringsämne som kisel, järn, koppar med flera stelnar vid en lägre temperatur än primärstelnande (alfa)aluminium. Genom att låta en legering stelna och innan allt har stelnat så pressar man ut den del av metallen som fortfarande är flytande. På så sett kan den stelnade metallen med en högre halt aluminium och lägre halt legeringsämnen separeras från den smälta delen med högre legeringshalt. Tekniken har potential, men kräver ett separat metallflöde då den renade metallen måste smältas om igen efter pressning.
Elektrokemisk avskiljning är när den smälta metallen påverkas av elektricitet så att olika metaller stenar på anod respektive katod. Det finns också ugnar med saltbad där metallföremål sänks ned för att separeras ren aluminium och sediment. Dessa tekniker är dyra och långsamma och idag inte tillämpade för stora flöde.
Alternativ till att rena eller späda aluminium
Ett alternativ till att rena eller späda aluminium är att hitta en tillämpning där det kan tolereras högre halter av ett legeringsämne. Att rena metall ger, utöver en ren metall, ett restmaterial i form av avlagringar, sediment, filterrester och annat.
Dessa rester har ett innehåll av metaller där halterna aluminium, järn, mangan, och andra metaller är relativt höga. För att ta fram en hållbar lösning så behöver det finnas en avsättning för dessa rester. Dessa kan, åtminstone i teorin, användas som legeringsämne, men eftersom de ofta innehåller ett antal olika ämnen blir det svårt rent praktiskt att använda dem för att legera med. Att använda reningsresterna som deoxidationsaluminium i järn och stålindustrin har samma problem eftersom vissa av de innehållande ämnena är föroreningar också för järn/stål. Ett förslag som diskuteras är att kunna använda reningsresterna som pulvermetall, där metallen atomiseras för att användas som pulver. Metallpulver används i många olika applikationer där pigment i färg, metallråvara vid pressning och additiv tillverkning är några. Additiv tillverkning är, som knappast någon missat, en teknik som är under frammarsch där pulver av vanligt förekommande aluminiumlegeringar används för att lager-för-lager smälta pulvret till en solid komponent. En av de vanligaste teknikerna vid additiv tillverkning av metaller är lasersmältning där en laser smälter samman metallpulvret med en stelningshastighet som är mycket högre än vid andra formningsmetoder. För denna typ av komponenter finns möjlighet att använda höga halter av järn som inte hinner bilda skadliga intermetaller vid hög stelningshastighet. Att det finns en vilja att använda rester från metallrening i en tillverkningsteknik som har en mycket hög timkostnad per kilo tillverkad komponent är dock inte helt självklart.
Formning av aluminium med en snabb avkylning medger högre legeringsinnehåll av till exempel järn.
Att direktgjuta remsor av aluminium genom så kallad ”twin-rolled casting” kan järnhalter så höga som 3 till 4% tillverkas, jämfört med väl under en halv procent konventionellt. Den högre järnhalten ger normalt problem med spröda och hårda järnfaser men den snabba avkylningen möjliggör godtagbara egenskaper. Befintliga gjuttekniker har olika stelningstider, vilket gör snabbstelnande tekniker som pressgjutning mer lämpliga för högre legeringsinnehåll. Varianten rheogjutning har även den möjlighet att bära större halter föroreningar. Det finns en uppsjö olika legeringar som har provats under åren där hög-entropilegeringar har flaggat upp som ett alternativ. Inom de plastiska legeringarna finns tekniker som sprejformning och direktdeposition där stelningstiden är kort och föroreningstolerans för järn hög. Ett alternativ är användande av kompositer med möjlighet att använda sig av återvunna material i olika delar av en komponent.
Sammanfattningsvis
Sammanfattningsvis gäller det att se över legeringsinnehållet i de produkter som framöver ska tas fram så att de anpassas, inte bara efter tillverkningsteknik och tradition, utan också efter faktiska krav från tillämpningsområdet och håll- bar råvaruförsörjning. En produkt tillverkad av till exempel profiler som ska användas inomhus utan krav på hållfasthet behöver inte ha samma hållfasthet som ramen i en sportbil. Vi behöver legeringar med låg hållfasthet, låga krav på ytfinhet men som har mer hållbara råvaror, som baseras på till exempel lågvärdigt aluminiumskrot. Det kanske inte är så dumt med maskätet äpple i alla fall!
Denna text är en sammanfattning av den litteraturstudie som utfördes inom ramen för Klimatanpassat renat aluminium (KIRAL), finansierat av strategiska innovationsprogrammet för Metalliska material.
