7 minute read
Kan forskning inom aluminiumgjutning bidra till hållbarhet?
Text av Tomas Liljenfors, vd Bryne
Det uppenbara sättet att minska sina CO2-emissioner är att minska inköpsvolymer, elförbrukning och kassationer. För processer gäller generellt att låga kassationer genereras av en stabil process utan oväntade stillestånd.
Varje tillverkningsminut ska vara maximalt utnyttjad. För gjutprocesser som utgår från en smält råvara för att tillverka göt, tackor, grisar eller komponenter är smälthanteringen ofta den mest CO2-avgörande delen av produktionsprocessen. Ja, ni har hört det förut i denna artikelserie.
Inlöst gas skapar porer när metallen stelnar och är därför en viktig parameter för produktegenskaperna. För att ta reda på hur mycket inlöst gas som finns i en metall behöver man mäta vätgashalten. Som tidigare behandlats i Aluminium Scandinavia nr 6/2022 är densitetsindex och andra test med vakuumstelnade prov vanligt förekommande tekniker för att mäta vätgas. Problemet är att tekniken inte bara mäter mängden inlöst gas utan också oxidhalt, och resultaten från forskning visar nu att mätresultatet också påverkas av användningen av ett reningssalt.
Vid vakuumstelning expanderar som sagt oxider av den inlösta gasen. Om det saknas flexibla stora oxider har vätgashalten ingen möjlighet att samlas och expandera, därav ger mätningen ett värde som kan tolkas som en låg vätgashalt. Ett liknande resultat kommer att uppnås när vätgashalten är låg och vid förekomst av flexibla oxider. Här kan oxiderna inte expandera eftersom det inte finns någon gas som expanderar dessa. Dessa ytterligheter gör att vakuumteknikerna används för att säga om man har vätgas eller ej, men att det inte säger så mycket om oxidhalten. Frågan är hur det ser ut mellan dessa ytterligheter: Är metoden lämplig för att industriellt mäta mängden inlöst gas respektive mängden oxider i en smält metall? För att reda ut detta spenderades delar av projektbudgeten i projektet HEeGg* på en form av grundforskning, i stället för applicerad forskning som avsågs från början. Ibland är världen mer komplex än vad den ser ut att vara.. Att verkligen gå till botten med något tar lång tid, speciellt när provtagning sker i industriell miljö där både ett och annat kan ändras över tid. Genom att jämföra återvunnen metall från råvaruleverantörer med skrot som omsmälts direkt på gjuteriet med och utan reningssalt (så kallat flux) kunde många industriellt nyttiga projektresultat plockas ut. Vi vet nu att återvunnet material från omsmältverk normalt inte har en högre kvalitet när det går via ett smältverk än när det smälts ned direkt på ett gjuteri. Däremot blir CO2-emissionerna mer än halverade när skrot smälts ner direkt inför gjutning. Mer om detta i nästa nummer. Fokus i denna artikel är hur smältkvalitet kan styras industriellt, med avstamp från Doktor Qing Zhang, Jönköping University, som i sitt excellenta doktorsarbete förklarar varför vakuumteknikerna inte alltid är ett bra kvalitetsmått. Det visar sig att porerna i ett densitetsprov förändras beroende på vilka legeringsämne som används. Vid smältoperationer används vanligtvis ett flussmedel som är saltbaserat men som också innehåller legeringsämnet natrium. Det tidigare kända sambandet mellan porositet och vätgashalt visade sig inte längre finnas, se diagram, vilket säger oss att resultatet från densitetsindex inte enkelt går att lita på för att mäta vätgashalten vid användning av fluss. Även relationen mellan oxidhalten (här definierad av brottförlängningen vid dragprovning) och porositet visade sig inte finnas (se diagram/bilder). Dr Qing löste detta finurligt genom att dela upp porerna i vakuumprovet mellan vätgasporer och krympporer. Genom att räkna krympporer, som konglomerat av porer, i stället för enskilda porer, kunde tekniken igen användas för att koppla porositetshalt till oxidhalt. Med denna metod måste dock porerna analyseras med mikroskop eller röntgentomografi vilket kräver dyr utrustning och tar lång tid. För att metoden ska vara en industriellt framkomlig väg som processanalys krävs att den är lätt att använda, robust och ger ett snabbt svar som kan översättas till handling. Tyvärr är denna nyantagna metod med mikroskopi/röntgen inte snabb och resultatet behöver översättas till användbara data. Som kvalitetsindikation är vakuumtekniker, såsom densitetsindex, en bra metod att användas industriellt men den går inte rakt av att använda som mätmetod för föroreningar i smältprocessen.
*Hållbart och Energieffektivt Gjutgods (HEeGg) finansierades av Energimyndiheten (Projekt 51228-1) och genomfördes 2021-2023 av Lundbergs Pressgjuteri, VÅ Pressgjuteri, Volvo Cars, ETAC, Bryne, och Jönköping University.
Tre års forskning lärde oss att tekniken oftast kan relatera inlöst gas och oxider till porositet, men när reningssalt, innehållande natrium, används så är relationen mellan porositet och vätgas respektive oxidhalt inte längre linjär. Jag anar (läs: är säker på) att många andra vanligt förekommande industriella praxis som legering, rening, filtrering och andra moment också skulle påverkar dessa porer, om vi nu skulle vilja spendera ytterligare tre års forskningsmedel. Resultatet är viktigt eftersom kontroll av smältprocessen är viktigt och genom att stabilisera gjutprocesser finns massor av energi och aluminiumråvara att spara. Med rätt mätmetoder kan industrin ta rätt beslut och skapa lägre CO2-emissioner. På sikt kan också rätt investeringar göras och nya produkter, baserade på ny kunskap, införas.
Vi i industrin verkar, tyvärr, ha en tendens att ta till sig av skrönor bättre än forskningsresultat. Att gamla sanningar sprids mellan företag av personer som själva jobbat i industrin gör att det är lättare för företagen att ta till sig av och därmed också lättare att införa i företagets rutiner. Stora, framgångsrika företag har förmågan att ta till sig forskningsresultat. Leverantörsföretag, som ofta är små och medelstora företag, har kanske inte den traditionen men skulle likväl behöva kunskapen. Med tanke på hur mycket ”forskning” som genom åren utförts, som exempelvis har försummat att vakuumtekniken inte är ett korrekt mätverktyg smältkvalitet, så kan man verkligen motivera mer grundforskning. Utmaningen med att få industrin att anpassa sig efter resultaten kvarstår dock. Min slutsats var att leverantörsföretagen ofta saknar relevant bakgrund för att ta till sig dessa mer komplexa resultat. En vidare tanke är att det idag inte kostar mer för ett företag än egen tid att delta i forskningsprojekt eftersom dessa finansieras med externa medel. Kan det tänkas göra företagen mer intresserade om de i stället betalar för sig i alla fall delvis?
Det blir då svårare att hitta deltagande företag till forskningsprojekten, men kanske skapas forskning som leverantörsföretagen faktiskt vill ta till sig av.
Nu till frågan om grundforskning kan bidra till hållbarhet. Svaret är: Ja absolut, en effektiv produktion behöver kontrolleras vilket görs genom att mäta korrekt. Med forskningsresultat vet vi att vakuumtekniker ger relevanta resultat, men de behöver kompletteras med andra mätmetoder. Men det gäller också tvärt om; hållbarhet är en förutsättning för grundforskning. En hållbar forskning är att finanserna längre perioder än ett par år åt gången. Grundforskning kräver hållbarhet, och med hållbarhet avses här finansiering över längre tid.
