13 minute read
Hållbart och energieffektivt gjutgods
Text av Tomas Liljenfors, vd Bryne
Hållbart och energieffektivt gjutgods
I föregående artikel ställde jag en fråga: Varför miljörapporterar vi? Jag fick endast ett svar, vilket kan tyda på att få har läst artikeln, eller på att vi egentligen inte vet varför vi miljörapporterar. Svaret, från måhända min enda läsare, var: För att det är ett krav. Jo, det stämmer att det för vissa företag är ett krav, men att göra saker för att man måste utan att integrera det i verksamheten är lika dumt som när företag för 20 år sedan ISO9000cerifierade sig för att det var ett kundkrav utan att införliva det i verksamheten. På den tiden anlitade man en konsult som hjälpte till att certifiera företaget men därefter sprang man vidare i samma riktning som förut. Inte skulle vi väl göra samma misstag nu. Eller? Jag tror att de flesta vet vad tanken med en miljörapport är, men inte vad dagens sätt att rapportera är tänkt att göra. Det behövs en standard för att kunna jämföra värden, men också en vilja och ha självförtroende nog att exponera brister som man arbetar med att lösa i stället för att utmåla en glättig bild över att just detta företag faktiskt försöker rädda världen. Vid årsskiften avslutades ett treårigt forskningsprojekt, finansierat av energimyndigheten, med namnet Hållbart och Energieffektivt Gjutgods (HEeGg). Resultaten visade att vi har mycket kvar att lära om aluminium. Det är lätt att besparingar blir dum-snåla där ett besparingsprogram sparar i en ända men förlorar i en annan. De energifunderingar som i tidigare nummer publicerats grundar sig till viss del på de resultat som forskningsprojektet gav. Vad jag tror att går att kopiera från detta projekt är att projektdeltagare från hela värdekedjan från slutkund till leverantör är att man ser så många detaljer när man själv deltar i diskussioner och med ute i ett gjuteri som man annars skulle förbisett. Även jag som har doppat näsan i smältdeglar i många år lär mig på att vara den som håller i mätskopan. Jag tror att de flesta deltagare inser att det finns så många teorier som i verkligheten ser annorlunda ut. Det finns så många skrönor som fortsätter att leva kvar trots att det är uppenbart att ekvationen inte går ihop. När forskning leder till att skrönor avlivas är det bra. Förhoppningen är att ta död på ett par skrönor med dessa resultat.
Skrot och smältning
Återvinningsprocessen för gjutaluminum har i motsats till järn och stål ett extra smältsteg. Omsmältverk smälter om skrot till ny råvara för leverans till gjuterier som i sin tur smälter om ännu en gång. Järngjuterier, tillverkare av aluminiumgöt för profil och plåt smälter skrot direkt i tillverkningsprocessen och slipper därmed omsmältningssteget. Att smälta samma metall två gånger ger en hög energiförbrukning, men ger det bättre metallkvalitet? En jämförande studie av tackor med återvunnet material från två leverantörer visade en större spridning mellan samma leverantör än mellan två leverantörer. Anledningen är inte processosäkerhet hos omsmältaren utan, helt enkelt, att råvaran består av skrot. Skrotinnehållet hos en viss leverans beror på vilket skrot som fanns tillgängligt just då. Att metallkvaliteten beror på skrotsort ser vi också inom ett gjuteri, även efter eventuella reningsoperationer. Det vi vinner med ett extra smältsteg är att även skrotråvaror som till exempel innehåller organiskt material såsom färg och olja kan återvinnas. Rena skrotråvaror finns det däremot ingen anledning att smälta om hos en omsmältare. Det är slöseri med energi. För att sammanfatta, vi visste sedan tidigare att det inte är energimässigt fördelaktigt att smälta skrot till tackor, men i forskningsprojektet ser vi också att det inte finns någon uppenbar kvalitetsfördel med att omsmälta skrot en extra gång.
Ugnar och smältning
På gjuteriet blandas tackor från omsmältaren med det egna processkrotet (återgångsskrot). Det förekommer att gjuterier sätter sina egna gränser för hur stor del återgångsskrot i förhållande till tackor som får tillsättas. Detta gäller för en sorts ugnteknik och för en specifik produkt. En annan typ av ugnsteknik tillåter ett annat förhållande. För schaktugnar är det vanligt att 30 till 50 % av råvaran utgörs av återgångsskrot. I denna typ av ugn är det inte lönsamt att tillföra finare skrot som till exempel återgångsskrot i form av tunnare luftningskanaler vid pressgjutning eller spån från maskinbearbetning, då en stor andel bränns upp vid nedsmältning.
Ugnssystem där den tillförda skrotråvaran snabbt förs under metallytan vid nedsmältning kan även hantera omsmältning av finare skrot utan stora förluster. Det kan vara induktionsugnar eller smältugnar med installerad omrörare. För gjuterier med dessa typer av ugnar kan 100 % skrotråvara användas vid smältning, utan reducerad kvalitet. Tekniken möjliggör en nedsmältning under omrörning vilket ger ett högt materialutbyte men också en god reaktion med ett reningssalt (fluss). Att få skrotråvaran snabbt under metallbadet är en nyckel för energieffektiv och hållbar smältning. Ugnar bör matas med en kontinuerlig hastighet av skrotråvara så att råvaran direkt kommer under badytan. Om skrotet tillsätts stötvis så att det blir sittande ovanför den överhettade smälta metallen så värms råvaran upp innan den kommer ner i metallen. Den överhettade metallen försämras snabbt ur ett kvalitetsperspektiv. Skrotet som hettas upp innan omsmältning följer samma princip som en schaktugn, med skillnaden att skrottemperaturen blir lägre i en induktionsugn. Utbytet för stora föremål som tackor blir ingen större skillnad, men för tunnare, mindre och tunnare skrotråvaror är skillnaden stor.
Underhåll av smältugnar är mycket viktig för energiförbrukningen. En väl fungerande ugn ska vara välisolerad och ha en lätt infodring. Infodringen är den keramiska massa som finns mellan isoleringen och den varma metallen. Infodringen värms upp tillsammans med metallen och ju lägre vikt infodringen har desto lägre blir energiförbrukningen. Detta kallas en ugns döda vikt. En påbyggnad av slagg på ugnsinfodringen ger en lägre kapacitet eftersom mindre metall får plats i ugnen. Dessutom får man vid varje smältcykel också värma upp slaggpåbyggnaden vilket innebär betydligt högre energiförbrukning per tonnage. Slagg som bildas i ugnen kan också äta sig in i degeln vilket förbrukar ugnsinfodringen snabbare. Lika ofta är det dock operationen att ta bort slagg som förstör infodringen så det är viktigt att ta bort slagg försiktigt, ofta och i små portioner. Att kontinuerligt rensa bort påbyggnad är viktigt för energiförbrukningen, speciellt för ugnar och transportdeglar som om vartannat är varma och kalla. Denna döda vikt är viktig att hållas låg.
Fluss
Reningssalt eller flussmedel som det också heter har visat sig vara ett intressant ämne. För ett gjuteri är fluss ofta en relativt hög kostnad. Vid induktionssmältning är reaktionen med flussmedlet mycket mer omfattande än om flussmedel tillförs på en ugn utan omrörning. Den kraftiga omrörningen ger en god reaktion till föroreningar i ugnen, men eftersom metallytan rörs runt och exponeras till luften bildas också nya föroreningar kontinuerligt i dessa typer av ugnar. Processkontroll blir här viktigt för att få en snabb smältprocess men utan att nya föroreningar blir ett problem. Flussalten har en aktiv del som består av 2 till 4 % fluorider av innehållet, men består i huvudsak av koksalt och kaliumklorid vars roll är att skapa rätt konsistens för flussets användningstemperatur. Natrium kan vid omrörning utsöndras från flusset, vilket ökar oxidationen av metallen längre ned i smältprocesskedjan. Natrium är ett reaktivt ämne som kan skapa många problem nedströms i kedjan. Att minska kontakttiden mellan fluss och smält aluminium ger ett lägre natriumtillskott, vilket är positivt både för slitaget på ugnsutrustningen och för metallutbytet hos både aluminiumet och legeringsämnena. Legeringsämnen, som natrium, kan vara värdefulla i en process som gravitationsgjutning, men vara en förorening i en annan, som pressgjutning. Turbulensen vid omrörningen minskar också lättoxidrade legeringsämnen från magnesium och strontium som därför behöver tillsättas efter omsmältning. Eftersom mer legeringsämne oxideras behöver mer legeringsämne tillsättas, samtidigt som föroreningar i aluminiumet (främst oxider) effektivare plockas bort, så bildas mer saltslagg vid användning av fluss. Alternativet, att inte använda fluss, praktiseras på vissa gjuterier där metallen i stället hålls stilla i en hållugn så att föroreningar får sedimentera till botten eller stiga till ytan beroende på densitetsskillnad i förhållande till det smälta aluminiumet. Huruvida det är mer energieffektivt eller inte har inte mätts men troligen är det mer hållbart att undvika fluss och i stället hålla metallen i en välisolerad ugn.
Att hålla smält metall varm
Varmhållning står för en betydande del av ett gjuteris energiförbrukning. Effekten för en varmhållningsugn är en bråkdel av en smältugn, men en hållugn är påslagen dygnet om, året om. En metall har en bättre kvalitet i stillestånd, varför metallkvaliteten direkt efter till exempel en helg oftast är bättre på ett gjuteri än efter drift. Det har att göra med att metall vid stillestånd låter gravitationen jobba. Tyngre partiklar sjunker till botten och lättare till ytan. Blandning av den smälta metallen sker vid kraftig uppvärmning, vid omrörning eller när ny metall tillförs eller hälls ur. Majoriteten av de hållugnar som finns på marknaden idag håller metallen varm men renar den inte under drift. Det har att göra med att blandning av metallen sker även i hållugnen. Om smältningen är våldsam, om skrot med ett hög föroreningshalt används eller om operatörer är ovarsamma så ger det en sämre kvalitet, men under förutsättning att hållugnen är rättkonstruerad, så läker metallkvaliteten i hållugnen. Viktigt är också att föroreningar som bildas i hållugnen kan avlägsnas och att metallen som tas ur är fri från dessa. Att sediment bildar slagg i botten av ugnen är syftet med ugnen så att då och då avlägsna dessa är nödvändigt. Speciellt föroreningar på ugnssidorna där metallen är i kontakt med luft är viktiga att avlägsna. Dessa är magnesiumoxider (så kallade spinell) som snabbt kan äta sig in i infodringen och orsaka sprickor. I botten av en hållugn bildas allehanda intermetaller, metalloxider och framför allt åldrade aluminumoxider (så kallad korrund).
Lika viktigt som att metallen får vila är att inte ha för kraftig värmning vid hållning. Är temperaturen för låg kan föroreningar bildas. Speciellt vid högre järn- och manganhalter där man kan få så kallade segringar där slampartiklar bildas och urskiljer dessa hårda metaller från den smälta metallen. Segringarna lägger sig i botten av ugnen, men om de följer med metallen till gjutprocessen skapar de problem dels vid formfyllnad men framförallt vid efterbearbetningen eftersom de är hårda, nästan som diamant. Dessutom ändrar segringen metallens kemiska sammansättning vilket kan skapa problem på många olika sätt. Är temperaturen för hög blir metallens yttemperatur hög och oxidation sker och oxider bildas. Rätt temperatur i hela ugnen är av största vikt och värmetillförsel från gärna ske med imersionsvärmning i en hållugn. Vad man måste ha i beaktning är att föroreningar kan följa med vid urtappning från en hållugn. Metallen som tas ur ska inte vara från ytan och inte från botten, och hela innehållet ska definitivt inte avlägsnas för då följer ju föroreningarna med igen. Hållugnen är viktig för metallkvaliteten men än viktigare har faktiskt dekanteringen av smält aluminium vid tappning från hållugn.
Smält metall och tappning
Ett av de mest förödande processtegen i smälthanteringsprocessen är när den smälta metallen tappas från ett kärl till ett annat. Processer som konstrueras så att metallen inte behöver tappas från ett ställe till ett annat är att föredra men kan innebära problem ur ett logistikperspektiv. När metallen tappas från till exempel en smältugn till en hållugn så exponeras den varma metallen för omgivande luft, precis som när en flaska vin dekanteras. Luftfuktighet reagerar gärna med den smälta metallen och bildar oxider och vätgas. Ju högre tapphöjd och högre temperatur desto mer interaktion med fuktigheten i luften. En varm sommardag med hög luftfuktighet skapar också större problem än en klar februarimorgon. Speciellt metall som är ren från vätgas reagerar med vatten. Eftersom vatten spjälkas till väte och syre i kontakt med smält aluminium är det rimligt att anta att det samma gäller för oxider. En ren metall som tappas vid hög temperatur drar alltså till sig mer vatten än en med högre halter av väte och syre. Metall som renas med fluss i en ugn med omrörning eller vid separat impellerbehandling är därför direkt efter rening känsligare för upptagning av vatten. Det är troligt att en renad metall förändras mer beroende på väderomslag mellan fuktigt och torrt klimat än en orenad. Den renade metallen är också mer känslig för övertemperering vid tappning. Man kan faktiskt dra det så långt som att säga att skrotbaserade legeringar med en högre andel oxider och föroreningsämne (så kallat spårämne) påverkas mindre av handhavandet än en jungfrulig metall. Orsaken är att den jungfruliga metallen med inblandning av återgångsmetall blir som en återvunnen legering. För primära legeringar är det alltså viktigare än för återvunna legeringar med processtabilitet och rätt blandningsförhållande mellan primär råvara (tacka) och återgångsmetall. Magnesium, strontium, natrium och andra legeringsämnen som gärna reagerar med syre påverkas mer av omrörning och tappning än andra ämnen. Efter tappning så bildas oxider av dessa legeringsämne som dels är en stor kostnad eftersom mer legeringsämne behöver tillsättas, dels skapar en sämre metallkvalitet. De flesta av de bildade oxiderna kan slaggas bort från metallytan efter tappning, men en del följer med metallen till nästa processteg. Utöver att försämra kvaliteten på den gjutna produkten så orsakar de också tillväxt av slagg i ugnar. Metallen beskrivs ofta som kletig eftersom vidhäftningen mot ugnsväggar, slevar och andra fasta material ökar med ökande oxidhalt
Att mäta kvalitet på smält metall
Flera gånger i denna artikel har jag pratat om metallkvalitet på den smälta metallen, men kanske inte alltid varit så tydlig med vad jag avser med det. En stor del av HEeGg-projektet syftade till att faktiskt bestämma vad smältkvalitet är. Eftersom jag under 10 år drivit ett företag med devisen att förbättra smältkvalitet så tänkte jag att det faktiskt kan vara bra att ha samsyn. Lite som att vakna upp som hållbarhetskommunikatör och faktiskt leverera en hållbar rapport. Nästa artikel i Aluminium Scandinavia kommer att behandla smältkvalitet och senaste forskningsrönen runt detta.
