Smälta lätt är inte alltid rätt

Tomas Liljenfors, Vd på Bryne

Smälta lätt är inte alltid rätt

Skenande råvarupris och ökad fokus på hållbarhet gör valet av smältteknik allt viktigare. Valet av smältteknik påverkar produktionskostnaden eftersom det är den klart högsta energiförbrukaren vid tillverkning av komponenter i aluminium. Att smälta ett ton aluminium kräver i teorin ca 370kWh. Energiförbrukningen på ett gjuteri med brännarteknik, dvs där energin skapas av förbränning av t.ex gasol eller diesel, är dock betydligt högre än den teoretiska förbrukningen. Utöver att bränslet är till största del från fossila källor så skapas avgaser som innehåller vatten som i kontakt med smält aluminium skapar föroreningar i form av oxider och inlöst vätgas.

En schaktugn har en hiss där aluminiumet transporteras upp i schaktet där det tippas ned. Aluminiumet förvärms genom att strömma avgasernafrån brännaren genom ett aluminiumfyllt schakt. Denna ugn är från danskaStötek.

Metallutbyte, energislag och förbrukning

Vid smältning av aluminium bildas slagg, så kallad avbränna, när en del av metallen oxideras. Avbrännan blir extra viktig att ta hänsyn till med höga råvarupriser. Tidigare i denna artikelserie har jag tagit upp att när aluminium oxiderar skapas energi. Detta gör att det på energimätaren ser ut som att en ugnsteknik med hög avbränna, dvs som eldar upp mer aluminium, förbrukar mindre energi än en teknik med lägre avbränna. För att rättvist kunna jämföra ugnstekniker måste alltså både energiförbrukningen och metallutbytet jämföras. Tänk på det när du pratar om smältning och energiförbrukning av aluminium.

Av tradition har gjuterier med stor metallförbrukning valt gaseldade ugnar där fossila gaser som gasol eller naturgas har varit alternativen. Mindre gjuterier har ofta i stället haft elvärmd smältteknik. El som smältenergi har i Sverige en betydligt lägre koldioxidbelastning än motsvarande gasenergi för att inte tala om diesel- eller oljeeldad smältteknik. Normalt förknippar man förbränningsteknik (gas och andra brännbara bränslen) med robust teknik och hög produktivitet men med höga metallförluster och stor koldioxidbelastning jämfört med el-smältteknik. Gasbrännare kan utrustas med syrgastillförsel vilket ger mindre kväveföroreningar och en mycket hög bränsleeffektivitet. Problemet med högeffektiva brännare är att dessa ofta värmer metallen för mycket och minskar därmed metallutbytet.

Ett schakt kan mata två hållugnar så att två olika legeringar kan smältas i samma system men inte samtidigt. Denna ugn från svenskaColurmet (tidigare Sarlin)

En hög automatiseringsgrad och lågt underhäll har gjort ugnstypen populär. Metallen lagras i en hållugn där entransportdegel kan fyllas på med smält metall.

Schaktugn

De flesta pressgjuterier och andra gjuterier med relativt stor metallförbrukning använder sig av en schaktugn. I en schaktugn hissas metallen upp i en vagn och töms ner i ett schakt. Metallen värms i schaktet sakta upp av bränngaser och rör sig sakta nedför schaktet allt eftersom metallen smälter. Temperaturen vid brännaren är över 800°C vilket gör att lättflyktiga legeringsämne som magnesium bränns upp och behöver tillsättas senare i processen, men också tunnare aluminium bränns upp. Efter brännaren rinner den smälta metallen ner i en hållugn. Ett schakt har normalt en kapacitet på mellan 1,5–3 ton per timme. Om metalluttaget är större än vad ett schakt kan ge kan ett andra schakt installeras till samma smältugn.

En schaktugn är effektiv på att smälta tjockare gods som tackor och tjockare internt återvinningsgods, men ju tunnare metallen är desto sämre blir metallutbytet. Att smälta aluminiumspån eller tunnare gods är en dålig idé eftersom metallutbytet blir mycket lågt. Energiförbrukningen för tackor i en schaktugn kan vara så bra som 550kWh/ ton men normal förbrukning i ett gjuteri där tackor varvas med intern återgångsmetall är typiskt mellan 700-1000kWh per ton. En schaktugn är robust och halvautomatisk. Det krävs typiskt en person per skift som hanterar råvaruintaget, slaggar, renar metallen och kör ut den smälta metallen till gjutugnar med en transportskänk.

Kammarugn

Kammarugnar, eller hjärtugnar som de också kallas, är vanliga hos råvarutillverkare men också hos större gjuterier. Kammarugnar värms med brännare placerade i överdelen av en kammare. Metallen förs in i ugnen genom stora portar där vagnar, eller lastarmaskiner tippar ner metallen i ugnen. Under kammarugnar finns ibland en magnetomrörare som ser till att den varma ytan blandas så att värmeöverföringen från brännaren blir effektivare. En brännare som är riktad direkt mot en metallyta ger en hög metallförlust eftersom yttemperaturen snabbt blir mycket hög och oxidationen därför snabb. Värmen som genereras i kammarugnar måste återvinnas effektivt för att hålla energiförbrukningen låg. För kammarugnar med rätt inställda brännare och en optimerad värmeåtervinning kan förbrukningen vara så låg som 500kWh/ton, men oftast är förbrukningen mycket högre. Kammarugnar är ett bra komplement till andra smälttekniker där kammarugnens höga metallutbyte och förmåga att svälja stora och otympliga metallråvaror kan vara ett bra alternativ till att installera ytterligare en ugn av befintlig smältteknik. En kammarugn används oftast som en kombinerad smält- och hållugn. Personalintensiteten för mindre kammarugnar är jämförbar med en schaktugn, men för större kammarugnar krävs det mindre personal per ton. Jämfört med schaktugnar så är metallkvalitet generellt högre vid rätt hantering.

En kammarugn har en kammare med en stor lucka för inlastning av aluminium. Ugnen vinklas när den ska tömmas så att metallen hälls utgenom en liten öppning.

Rullugnar är robusta och tillverkade för att kunna hantera råvaror med höga halter föroreningar som slagg. Foto: Stena Aluminium

Rullugn

En ugnstyp som är vanlig hos omsmältande återvinningsföretag är rullugnar. Rullugnar är utvecklade för att kunna hantera metallråvaror där föroreningsinnehållet är högt. Slagg, som är en blandning av aluminium och oxider, men också skrot som innehåller stora mängder organiskt material (färg, packningar, gummibussningar, plastfilm med mera) klaras utan problem av att smältas med denna mycket robusta ugnsteknik. Ugnen kan jämföras med en roterande kastrull där det på locket sitter en gasbrännare monterad. Genom att öppna locket kan material tillsättas i ugnen. Den runda ugnen drivs runt så att metallen och värmen blandas väl i ugnen. För att inte bränna upp metallen används ett saltlager som skydd mellan metall och gaslåga. Mängden salt är typiskt 10 % av den totala vikten vilket ger stora mängder saltslagg att hantera. För renare råvaror är denna ugnstyp mindre lämplig eftersom metallutbytet är lågt. Det är mindre lämpligt att tillföra legeringstillsatser i en rullugn varför denna teknik kräver en separat hållugn där legering och rening kan ske. Rullugnar är högt automatiserade så personalintensiteten är låg, även om den är högre än för en större kammarugn. Metallkvaliteten är låg, energiförbrukningen hög och metallutbytet för finare råvaror mycket låg. En energiförbrukning över 1 000 kWh per ton är inget ovanligt. Hög produktivitet och möjligheten att hantera slagg och andra kontaminerade råvaror gör denna ugnstyp till ett bra val i kombination med andra ugnstyper för att hantera andra råvaror.

Öppna degelugnar har en enkel konstruktion med en öppen yta mot taket. Användningen av lock påverkar förbrukningen kraftigt.

Öppna smältugnar

Öppna smältugnar finns i mängder av utföranden. Oftast tillförs värmen underifrån där en brännare eldar på ett tegel eller en degel. Degelmaterialet överför värmen till metallen i degeln. Värmeöverföringen över en tegelsten är låg varför denna ugnstyp har en smältkapacitet på några hundra kilo per timme. Isoleringen runt degel, liksom lockets utformning är helt avgörande för energiförbrukningen. Denna typ av ugn är mycket flexibel, billig att investera men har låg kapacitet och energiförbrukning högst beroende av isolering och användandet. En förbrukning under 500 kWh/ton är möjlig men utan lock ökar förbrukningen med 50 %. Metallkvaliteten kan vara hög och denna typ av ugn går att smälta, hålla och gjuta från. Vid satsvis tillverkning går det att få en mycket hög metallkvalitet, men vid kontinuerlig tillförsel av metall blir metallkvaliteten lidande. Degelugnar är i Sverige vanligen elvärmda men det får ni läsa mer om i nästa nummer.