Återanvändande av skärslagg som råmaterial i ljusbågsugnen

i ljusbågsugnen

Robin Thun Salguero

Civilingenjör, Industriell miljö- och processteknik 2020

Luleå tekniska universitet

Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

Förord

Jag vill tacka mina två handledare Caisa Samuelsson från Luleå tekniska universitet och Olle Sundqvist från Sandvik Materials Technology. Jag vill tacka för den hjälp och handledning som jag har fått under arbetets gång.

Jag vill även tacka André Ulmgren, Linn Billgren och Conny Hofander från Carbomax som har gjort det möjligt att brikettera skärslaggen.

Till sist vill jag tacka följande personal från Sandvik; Pontus Myckelberg och Fia Vikman som har hjälpt till med olika delar i detta arbete och även varit ett bollplank att diskutera med.

Jag vill även tacka Kjell-Åke Eriksson, Karl-Erik Färnstrand, Mikael Ljungkvist, Johan Andersson, Fredrik Axelsson och Tomas Blom har bidragit med genomgående guidning i de olika processerna för detta arbete samt logistik och försöksplanering.

Robin Thun Salguero Sandviken, 2020-04-22

Sammanfattning

Varje år producerar Sandvik ungefär 230 000 ton stål genom nedsmältning av stålskrot i ljusbågsugnen där mer än 90 % av stålet gjuts via stränggjutning. När strängarna gjuts kapas de till specifika längder med ett 2 cm tjockt snitt med hjälp av syrgas och järnpulver. Detta resulterar i en restprodukt (skärslagg) om ca 750 ton per år, med sammansättningen från den årliga produktionen av stål.

Syftet med arbetet var att se över en möjlig återanvändning av skärslaggen som råvara i ljusbågsugnen. Problematiken med skärslaggen är den stora reaktiva ytan vilket kan medföra att materialet börjar brinna i ljusbågsugnen under drift.

Skärslaggen har en liten partikelstorlek och kan således följa med till gas- och partikelfilter då det är ett högt gasflöde i ljusbågsugnen under drift. Genom att brikettera skärslaggen kan dessa problem minimeras och en återföring av skärslaggen som råvara kan således vara möjlig.

Skärslaggen transporterades till ett företag som siktade, torkade och briketterade skärslaggen.

37 ton skärslaggsbriketter har återförts i 18 försökscharger under normal drift med 2 ton skärslaggsbriketter i varje charge (en charge med enbart 1 ton skärslagg). För att mäta hur effektivt återföringen av skärslaggen var behövdes en referensnivå. Referensnivån baserades på hur utbytet till stål för elementen, molybden, nickel, koppar, kobolt och krom i ljusbågsugnen förhåller sig vid daglig drift. Detta utbyte användes som bas för att beräkna utbytet vid återföringen av skärslaggen.

Av resultaten framgår det att nickel och molybden visade genomgående goda utbyten.

Utfallet för elementen kobolt och koppar var inte lika tydliga men utbytena var till övervägande del goda. Beträffande krom var resultaten av naturliga skäl varierande, då krom reagerar med slaggen under processens gång. Den övervägande slutsatsen av arbetet var emellertid att det går att återföra skärslagg som råvara i ljusbågsugnen med godtagbara utbyten genom att brikettera den.

Analysering av ljusbågsugnsslaggen gjordes också för att se eventuella avvikelser ifrån den dagliga driften. Resultaten visade att slaggen inte påverkas när skärslaggen återförs som råvara i ljusbågsugnen.

Abstract

Sandvik produces about 230 000 tonnes of steel annually by melting in an electric arc furnace, where more than 90% of this steel is casted via continuous casting. When the strands are cast, these strands will be cuts to specific lengths with 2 cm thick cuts by using gas and iron powder. This generates approximately 750 tonnes of steel chips (cutting residues) each year, with a composition from the entire annual production of steel that falls as a residual.

The purpose of the work was to review a possible reuse of the cutting residues as a raw material in the electric arc furnace. The problem with the cutting residue is the large reactive surface area, which could cause the material to burn in the electric arc furnace during operation.

Since there are a high gas flow in the electric arc furnace during operation, the cutting residue that has a small particle size can also disappear from the furnace with the gas flow to the particle filters. By briquetting the cutting residue, these problems could be minimized and a reuse of the cutting slag as raw material could thus be possible. Therefore the cutting residue was transported to a company that sieved, dried and briquetted the cutting residue.

37 tonnes of cutting residue briquettes have been reused into 18 charges under normal operations with 2 tonnes of cutting residue briquettes in each charge (one charge with only 1 tonne of cutting slag). In order to measure how efficient, the reuse of the cutting residue was, a reference was needed. The reference was based on how the yield of steel for the elements, molybdenum, nickel, copper, cobalt and chromium in the electric arc furnace behaves in daily operation. This yield was used as a basis for calculating the yield when reusing the cutting residue.

The results showed that nickel and molybdenum had a consistently good yield. The results for the cobalt and copper was not as clear, but the yields were generally good. In the case of chromium the results are naturally varied, as chromium reacts with the slag during the process.

However, the predominant conclusion of the work was that it is possible to reuse the cutting residue as a raw material in the electric arc furnace with an acceptable yield by briquetting it.

Analysis of the slag was also done to see any deviations from daily operations. The results showed that the slag was not affected when the cutting residue was reused as raw material in the electric arc furnace.

Innehåll

1 INLEDNING ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Syfte och arbetsmetodik ... 2

1.2.1 Syfte ... 2

1.2.2 Frågeställningar ... 2

1.2.3 Avgränsningar ... 2

1.3 Historia Sandvik ... 2

1.4 Stålframställning Sandvik ... 3

1.4.1 Skrotgården och råvaruhantering ... 4

1.4.2 Ljusbågsugnen ... 4

1.4.2.1 Chargering ... 4

1.4.2.2 Smältning ... 5

1.4.2 Slagg ... 6

1.4.3 AOD-konverter ... 6

1.4.4 Skänkugn ... 7

1.4.5 Stränggjutning ... 8

1.4.5.1 Skärslagg ... 9

1.5 Miljö... 10

2 TEORI ... 11

2.1 Slagg – oxidisk smälta ... 11

2.1.1 Basicitet ... 11

2.1.2 Skummande slagg ... 11

2.1.3 CaO-FeO-SiO2 ... 12

2.2 Ellinghamdiagram ... 13

2.2.1 Järn ... 14

2.2.2 Fosfor ... 15

2.2.3 Krom ... 15

2.2.4 Nickel, Kobolt, Molybden och koppar ... 16

2.3 Provtagning ljusbågsugnen ... 16

2.4 Analysmetoder ... 17

2.4.1 X-Ray Fluorescence spectrometry (XRF) ... 17

2.4.2 Optical emission spectrometry (OES) ... 17

2.4.3 Förbränning (Leco) ... 17

2.4.4 Extraktion ... 18

3 METOD ... 19

3.1 Karaktärisering ... 19

3.1.1 Skärslagg ... 19

3.1.2 Kolhalt ... 19

3.1.3 Prov 52 stålprov ... 20

3.1.4 Prov 52 slagg ... 21

3.1.5 Skärsslaggsvikt ... 21

3.2 Kartläggning ... 22

3.2.1 Stålsorter ... 22

3.3 Brikettering ... 24

3.4 Försöksplanering... 26

3.4.1 Lastning ... 27

3.4.2 Fördelning av element ... 28

3.4.3 Prognos ... 29

3.5 Utvärdering ... 31

3.5.1 Beräkningar ... 31

3.5.1.1 Massbalans ... 32

3.5.1.2 Utbyte generellt ... 32

3.5.1.3 Utbyte skärslagg ... 32

3.5.2 Slagg ... 33

4 RESULTAT ... 34

4.1 Metalliska utfallet ... 34

4.2 Utbyte ... 37

4.2.1 Utbyte molybden ... 37

4.2.2 Utbyte nickel ... 37

4.2.3 Utbyte koppar ... 37

4.2.4 Utbyte kobolt ... 37

4.2.5 Utbyte krom ... 38

4.3 Slaggsammansättning... 39

4.4 Ekonomi ... 39

5 Diskussion ... 40

5.1 Lastning, utfall och utbyte ... 40

5.2 Slagg ... 41

6 Slutsatser ... 42

7 Framtida arbete ... 43

8 Referenser ... 44

Figurförteckning

Figur 1. Beskrivning över processflödet-^[6] ... 3

Figur 2. Tappning av ljusbågsugn AB Sandvik Materials Technology.^[12] ... 6

Figur 3. AOD-konverter. AB Sandvik Materials Technology.^[15] ... 7

Figur 4. Stränggjutning, AB Sandvik Materials Technology.^[16]... 8

Figur 5. Principiell bild för stränggjutning.^[18] ... 9

Figur 6. Inverkan av basicitet och viskositet vid olika temperaturer i en slaggsmälta.^[13] ... 12

Figur 7. Trefasdiagram slaggsystem CaO-FeO-SiO2 [29] ... 13

Figur 8. Ellingham-diagram för oxider.^[32]... 14

Figur 9. Processflöde för arbetet. ... 19

Figur 10. Provtagning skärslagg från skrotgården 2019-09-25. ... 19

Figur 11. Lollopopprov för analysering. ... 21

Figur 12. Antalet skärsnitt uppdelat per strängdimension mellan perioderna 2013 – 2018. ... 21

Figur 13. Skärsnittsvikten uppdelat per strängdimension mellan perioderna 2013 – 2018. ... 22

Figur 14. Riktvärden för Cr, Ni och Mo för de största stålsorterna. ... 24

Figur 15. Obearbetad skärslagg. ... 25

Figur 16. Produktion av skärslaggsbriketter. ... 26

Figur 17. Lastning av försök del 1. ... 27

Figur 18. Lastning av försök del 2. ... 28

Figur 19. Lastning av försök del 3. ... 28

Figur 20. Prognos för molybden med skärslagg och övrigt skrot. ... 29

Figur 21. Prognos för nickel med skärslagg och övrigt skrot. ... 30

Figur 22. Prognos för koppar med skärslagg och övrigt skrot. ... 30

Figur 23. Prognos för kobolt med skärslagg och övrigt skrot. ... 31

Figur 24. Prognos för krom med skärslagg och övrigt skrot. ... 31

Figur 25. Trefas diagram CaO-FeO-SiO2 med Sandviks gränser för stålsort 4HS64. ... 33

Figur 26. Molybden (prognos mot utfall). ... 34

Figur 27. Nickel (prognos mot utfall). ... 35

Figur 28. Koppar (prognos mot utfall). ... 35

Figur 29. Kobolt (prognos mot utfall). ... 36

Figur 30. Krom (prognos mot utfall). ... 37

Figur 31. Utbyte för samtliga försök och referenscharger ”E.Kamp”. ... 38

Figur 32. Utfall slaggsammansättning för försök och referenscharger CaO-FeO-SiO2 diagram. ... 39

Figur 33. Analys av skärslagg från D-Lab. ... 46

Figur 34. Kolhalten för provtagning av skärslagg. ... 48

Figur 35. Kolanalys för prov M01, M02, M03, M04. ... 61

Figur 36. Kolanalys för prov M05, M06, M07, M08. ... 62

Figur 37 Kolanalys för prov M09, M10. ... 63

Figur 38. Kolanalys för prov B01, B02, B03, B04. ... 64

Figur 39. Kolanalys för prov B05, B06, B07, B08. ... 65

Figur 40 Kolanalys för prov B09, B10. ... 66

Figur 41. Kolanalys för prov T01, T02, T03, T04. ... 67

Figur 42. Kolanalys för prov T05, T06, T07, T08. ... 68

Figur 43. Kolanalys för prov T09, T10. ... 69

Figur 44. Den totala mängden lastad nickel med och utan skärslagg. ... 70

Figur 45. Den totala mängden lastad molybden med och utan skärslagg. ... 71

Figur 46. Den totala mängden lastad koppar med och utan skärslagg. ... 72

Figur 47. Den totala mängden lastad krom med och utan skärslagg. ... 73

Figur 48. Den totala mängden lastad kobolt med och utan skärslagg. ... 74

Tabellförteckning

Tabell 1. Sammansättning i skärslaggen. ... 20

Tabell 2. Uppskattad beräkning hur stor andel av metallerna som föreligger som oxider. ... 20

Tabell 3. Uppdelning av stålsorter genom deras riktanalyser. ... 23

Tabell 4. Summering av max och min-värden för krom, molybden och nickel för stålsort 4HS64. ... 23

Tabell 5. Recept för blandning av varje batch producerade skärslaggsbriketter. ... 24

Tabell 6. Sammanställning av medelutbytet för samtliga försök och referenschargerna ”E.kamp”. ... 38

Tabell 7. Analys av lastat material + briketterad skärslagg. ... 47

Tabell 8. Utbytesberäkning av nickel från skärslaggen. ... 49

Tabell 9. Utbytesberäkning av molybden från skärslaggen. ... 50

Tabell 10. Utbytesberäkning av koppar från skärslaggen. ... 51

Tabell 11. Utbytesberäkning av krom från skärslaggen. ... 52

Tabell 12. Utbytesberäkning av kobolt från skärslaggen. ... 53

Tabell 13. Lastning av material i [kg]. ... 54

Tabell 14. Elementsfördelning med skärslagg i [kg]. ... 55

Tabell 15. Elementsfördelning utan skärslagg [kg]. ... 56

Tabell 16. Prognos mot utfallet (Stålprovsanalysen) i [%]. ... 57

Tabell 17. Prognos mot utfallet (Stålprovsanalysen) i [kg]. ... 58

Tabell 18. Slagganalys ... 59

Tabell 19. Slagganalys förförsökcharger för CaO-FeO-SiO2 [normaliserat]. ... 60

Teckenförklaring

LB-ugn – Ljusbågsugn

Sandvik – AB Sandvik Materials Technology (SMT) AOD– Argon Oxygen Decarburization

Värdemetaller i detta arbete – krom, koppar, nickel, molybden och kobolt.

1

1 INLEDNING 1.1 Bakgrund

Varje år producerar Sandvik ungefär 230 000 ton stål med varierande sammansättning.

Ungefär 90% av det producerade stålet går till stränggjutning, övrigt stål går till götgjutning.

Idag producerar Sandvik mer än 1000 olika stålsorter. Ungefär 300 av dem produceras regelbundet, vilket genererar komplexa restprodukter.

Stålskrot lastas i korgar på Sandvik och transporteras via travers in i ljusbågsugnen. I ljusbågsugnen finns det tre grafitelektroder som används för att smälta skrotet, en stål- och slaggsmälta bildas. När stålet är redo för tappning, tappas stålet och slaggen i en skänk och den bildande slaggen dras av. Varje charge från ljusbågsugnen innehåller ca 75 ton smält stål som sedan transporteras till AOD:n (Argon oxygen decarburization) för att tillsätta legeringar och rena stålet. Efter AOD:n transporteras stålet till skänkugnen för homogenisering av temperaturen. Det sista steget är stränggjutningen där tre strängar med ämnen produceras av varje charge. Stränggjutningen producerar två olika ämnen billets och blooms, med dimensionerna för blooms (265x265mm och 265x365mm) och billets (150x150 mm).^[1]

Dessa ämnen kapas till 2–6 meters längder med hjälp av syrgas och järnpulver. Varje snitt från kapningen har en bredd på ungefär 15–25 mm och antalet snitt per charge är direkt kopplat till ämnets dimensioner. Antalet snitt per sträng varierar mellan 5–9 snitt, vilket resulterar i 15–27 snitt per charge. Materialet som kapas av från varje snitt kallas för skärslagg, denna faller ner under stränggjutningen tillsammans med kylvatten från stränggjutningen.

Skärslaggen i sig innehåller sammansättningen från stålet, järnpulver från kapningen samt försumbara mängder gjutpulver från gjutningen.

Idag beräknas en ungefärlig vikt för mängd skärslagg som faller ner vid kapningen. Den baseras på dimensionen på ämnet, en uppskattad densitet, antalet snitt och bredden på snittet som är givet i ett speciellt körprogram. Detta resulterar i en total mängd av skärslagg på ungefär 650–750 ton per år. En invägning av skärslaggen sker efter avvattning i samband med vidare hantering, då stora mängder vatten har använts vid nedkylning av strängarna blir denna vikt osäker.

Att återvinna skärslaggen kan medföra en ekonomisk besparing på legeringstillsatser då skärslaggen innehåller värdefulla legeringsmetaller. Skärslaggen är till storleken likt sågspån och således är vikten av en enskild partikel låg och således skapas problematik med direkt återanvändning av skärslaggen i ljusbågsugnen. Inuti ljusbågsugnen uppstår det höga gasflöden, vilket resulterar i att stoft, spån, mindre partiklar och skärslagg skulle följa med gasflödet ut ur ugnen och fastna i gas- och partikelfilter.^[2]

På grund av den höga effekten som ljusbågsugnen använder under drift och sämre kontakt mellan anod och katod som inhomogent och smått material skapar, finns risken att

2 skärslaggen kan börja brinna i ljusbågsugnen. När material brinner arbetar ugnen under mindre gynnsamma förhållanden och kan även påverka produktiviteten negativt.^[3]

Brikettering av skärslaggen syftar till att öka skärslaggens vikt och minska den reaktiva ytan, vilket kommer reducera problemen med att materialet börjar brinna samt risken att den följer med gasflödet ut ur ugnen. Tidigare försök har genomfört med att återinföra skärslagg i ljusbågsugnen som råmaterial på Sandvik. Då detta inte dokumenterats fanns det ingen information att ta del av inför detta arbete.

1.2 Syfte och arbetsmetodik

1.2.1 Syfte

Syftet med arbetet är att karaktärisera skärslaggen och beräkna i vilken utsträckning skärslaggen kan återanvändas i ljusbågsugnen som råmaterial, som i sin tur kan generera en ekonomisk besparing.

1.2.2 Frågeställningar

• Vad är det för genomsnittlig sammansättning i skärslaggen?

• Går det att brikettera skärslaggen?

o I vilken utsträckning kan skärslaggen användas som råmaterial i ljusbågsugnen?

o För vilka stålsorter kan skärslaggen användas som råmaterial i ljusbågsugnen?

• Hur stor skulle den ekonomiska besparingen vara om skärslaggen användes som råmaterial i ljusbågsugnen?

1.2.3 Avgränsningar

Syftet med arbetet är att karaktärisera och brikettera skärslaggen samt göra beräkningar i vilken utsträckning den går att återanvändas i ljusbågsugnen. Detta för att göra fullskaliga försök med återanvändning av skärslaggen. Kostnadsberäkningar för brikettering och transport kommer att genomföras av ekonomiska skäl. Det primära målet med arbetet är att återinföra skärslaggen till ljusbågsugnen i charger med lämpliga stålsorter, det vill säga stålsorter med en specifikation som medför att skärslaggens bidrag av legeringselement är inom respektive stålsorts ramar.

Arbetet syftar inte till att följa stålet vidare efter ljusbågsugnen till AOD, skänkugnen och gjutningen, då dessa anses vara oberörda om stålets sammansättning hamnar inom stålsortens ramar.

1.3 Historia Sandvik

Sandvikens jernverk grundades 1862 av Göran Fredrik Göransson. Företaget hade samma namn fram till 1972, då namnet byttes till enbart Sandvik. I början av Sandviks historia var företaget enbart en stålgrossist. Tackjärn köptes in från närliggande företag, främst Högbo Bruk. Grundaren ansåg att kunskapen om framställningen av järn var en viktig del i kedjan och då beslutades det att en upphandling av Högbo Bruk skulle ske.^[4]

3 Sandviken ansågs som en lämpad plats för utbyggnad av det nya företaget med anledning av de naturtillgångar som fanns tillgängligt, i form av träd för kolförsörjning och vattendrag för vattenförsörjning. Sandviks jernverk behövde allt mer arbetskraft och satsade stort kapital på socialutbyggnad så som teater, sjukvård och badhus för att befolkningen i samhället skulle trivas.^[5]

Idag har Sandvik mer än 42 000 anställda med en omsättning på cirka 100 miljarder per år.

Sandvik är uppdelat i tre olika divisioner, Sandvik Materials Technology (SMT), Sandvik Machining Solutions och Sandvik Mining and Rock Technology. Genom att arbeta med tät kontakt med kunder och utveckla produkterna allt eftersom kundernas preferenser utvecklas, strävar Sandvik till att sätta branschstandarden inom respektive område.^[4]

1.4 Stålframställning Sandvik

Internt returskrot, köpt skrot och legeringar lastas efter ett givet lastkort i en korg. Det lastade skrotet transporteras med dragare och vidare med travers till ljusbågsugnen där korgen töms genom att botten öppnas och skrotet faller ner i ljusbågsugnen.

Ljusbågsugnen agerar som en smältenhet i processen och enbart mindre justeringar av stålets sammansättning korrigeras. Det smälta stålet och slaggen tappas ut i en skänk genom att vicka ugnen och det flytande stålet och slaggen rinner ut genom tapphålet ner i en skänk.

Skänken transporteras till AOD-konvertern där stålet överförs genom att vicka skänken så att stålet rinner ner i AOD-konverten. I AOD:n renas stålet huvudsakligen från kol genom att en blandning av argon- eller kvävgas tillsammans med syrgas injiceras genom stålet (även en mindre rening av svavel och syre sker).

Stålet tappas i en ny skänk och transporteras via travers till skänkugnen. I skänkugnen homogeniseras temperaturen och mindre justeringar av sammansättningen av stålet sker.

Det sista steget i processen är gjutning av stålet och beroende på vilka dimensioner som eftersträvas, används götgjutning eller stränggjutning. Vid stränggjutningen fördelas stålet i kokiller och tre strängar av ämnen bildas. En succesiv nedkylning med kylvatten av stålet sker, samtidigt som ämnena kapas med hjälp av syrgas och järnpulver. Resterna från kapningen (skärslagg) faller ner under stränggjutningen tillsammans med kylvattnet. Figur 1 visar en illustration över nämnda processer från skrot till producerat ämne eller göt.

Figur 1. Beskrivning över processflödet-^[6]

4 1.4.1 Skrotgården och råvaruhantering

Skrot och råvaror sorteras i olika fack efter innehåll för att kunna säkerhetsställa en specifik sammansättning när skrotet ska lastas. När en specifik stålsort ska produceras fylls korgar med skrot utefter ett givet lastkort.

En last med skrot består normalt av 40 % inhemskt returskrot, 40 % köpt skrot och 20 % legeringsämnen. I regel fylls två korgar med skrot för att producera en smälta om 75 ton. Den första korgen har en skrotvikt på 50–65 ton och korg två 10–20 ton. Beroende på hur stor volym det osmälta skrotet upptar kan även en tredje korg behöva fyllas. Ugnsvolymen är begränsande för hur mycket skrot som får plats innan smältning.^[7]

Placeringen av skrot i korgen är viktig, för att materialet ska kunna smälta så effektivt som möjligt. Större skrotstycken placeras längre ner i korgen och lättare och mer skrymmande material placeras högre upp.^[8] Utöver skrot i korgarna, tillsätts slaggbildare, dolomitkalk [CaMg (CO3)2] och antracit (fossilt kol med högt energivärde som tål höga temperaturer).

1.4.2 Ljusbågsugnen

En ljusbågsugn består av ett valv försedd med hål i mitten för grafitelektroderna. Valvet fungerar som ett lock till ugnen för att bevara den energi som finns tillgänglig i ugnen. Valvet och elektroderna går att höja och förflytta i sidled vid insättning av material i ugnen. Kroppen av ugnen består av ett yttre skal av gjutjärn, vattenkylda paneler och innerst i ugnen eldfast magnesiumtegel.^[9] Sandviks ljusbågsugn är av modellen ASEA och har en kapacitet på 75 ton smält material.^[10]

1.4.2.1 Chargering

Vid en chargering höjs elektroderna upp och valvet med elektroder förflyttas för att ge plats för korgen med skrot. Korgens botten öppnas och allt skrot faller ner i ugnen, ugnsvalvet förflyttar sig tillbaka och elektroderna sänks ner.

Genom att lättare material är placerat på toppen kan elektroderna ”borra” sig ner i skrotet för att kunna öka kontakten mellan skrot och elektroderna.^[8] Grövre material kan öka risken till elektrodbrott, vilket resulterar i dyra produktionsstopp. Genom att elektroderna borrar sig ner i skrotet, skärmas även det eldfasta teglet och ugnsvalvet av från den strålningsenergin som bildas under drift.^[7]

När skrot från den första korgen är smält upprepas ovanstående beskriven procedur med nästa skrotkorg. Det nya skrotet får hjälpenergi för nedsmältning genom den stålsmälta som finns i ugnen, vilket är till stor fördel för vidare smältning och fortsatt produktion.^[8] Däremot kyls stålbadet snabbt genom att dyrbar energi försvinner ut genom det öppna ugnsvalvet. Korg två innehåller en mindre mängd skrymmande material för att valvet snabbt ska kunna placeras ovanför ugnen så att driften kan starta igen.

5 1.4.2.2 Smältning

Ljusbågar bildas från grafitelektroden genom att urladdningar i gas bildas mellan anod och katod. Detta kräver en hög ström och låg spänning. Om spänningen är tillräckligt hög mellan anod och katod bildas en ljusbåge även kallat plasma. Temperaturen på plasmat kan uppgå till 8 000°C.^[3]

Den huvudsakliga smältdriften i ljusbågsugnen är den energin som bildas i ljusbågarna. Vid start av en smälta är ljusbågarna oregelbundna och ostabila, vilket skapar en instabil ugnsdrift.

Under den första perioden av ugnsdriften ska elektronerna emittera från det kalla skrotet, och sedan ska elektronerna emittera från elektroden. När skrotet är kallt är det svårare att få elektronerna från elektroderna att emittera och således kan ljusbågen slockna. Vid uppvärmning av skrotet är det lättare att få elektronerna att emittera, därav blir det en stabilare drift med en ugn som har en bottensump av smält stål.^[3] För Sandvik är det inte möjligt att köra en ugn med bottensump, då stålsammansättningarna varierar mycket och risk för kontaminering av nästkommande charger.^[7]

När skrotet börjar smälta blir driften alltmer stabil och en pöl av smält stål bildas i ugnens ”hjärta” (botten av ugnen). Detta i sin tur värmer upp övrigt osmält skrot. När ugnen har fått en stabilare drift ökas även successivt effekten och således smältprocessen.

Syrgas injiceras i stålet via en syrgaslans genom slaggluckan. Ibland kan stora skrotstycken fastna vid slaggluckan under nedsmältningsfasen, detta hindrar slaggen att rinna ut, samt även syrgasinjektionen. Då används även syrgaslansen för att kapa av dessa skrotstycken. Vid syrgasbränning reagerar syret med järnet i det varma skrotet och stora mängder energi frigörs som möjliggör att kunna skära av skrotstycken.

Vid normal drift används även syrgas direkt in i stålbadet för att exotermiska reaktioner ska ske mellan syre och bland annat kol, kisel, magnesium, järn och aluminium som i sin tur påskyndar smältprocessen och ökar temperaturen.^[8] Vid syrgasinjektion sker även en effektiv omrörning av stålbadet, vilket bidrar till en homogenisering av stålet.^[11] Figur 2 visar en tappningssekvens av stål och slagg från ljusbågsugnen till en överföringsskänk.

6

Figur 2. Tappning av ljusbågsugn AB Sandvik Materials Technology.^[12]

1.4.2 Slagg

En av de främsta fördelarna vid bildandet av en slagg är att slitaget på infodringen minskas.

Slaggen agerar som en skyddande sköld för infodringsmaterialet mot de bildade ljusbågarna.

Naturen strävar alltid efter jämvikt och därför är det viktigt att slaggen är mättad av de element som infodringsmaterialet är baserat på. I ljusbågsugnen är det oftast magnesiumtegel som används och då krävs det att slaggen är mättad av magnesium. Om en slagg inte är mättad av infodringens element, kommer slaggen oxidera teglet och nöta ner det i en snabbare takt.

Detta resulterar i att ugnen behöver muras om tidigare.^[9]

Slaggen bevarar och isolerar den energi som finns tillgänglig i smältan från att lämna ugnen i allt för stor takt, vilket medför kostnadsbesparingar.^[13]

En slagg agerar även som en depå för oönskade element som behöver avlägsnas från stålet genom oxidation från stålsmältan. Detta innebär att slaggen renar stålet från föroreningselement.^[13]

1.4.3 AOD-konverter

Vid rostfri ståltillverkning ska kolhalten vara låg, vissa stålsorter har krav på kolhalter under 0,02%. När stålet lämnar ljusbågsugnen är kolhalten för lågkolhaltiga stålsorter för hög,

7 därmed behöver en så kallad kolfärskning genomföras. Det innebär att det kol som har lösts in i stålet måste oxideras bort.^[7]

AOD-konvertern är utrustad med dysor i botten av konvertern som injicerar syrgas och argon (för stålsorter med krav på låg kvävehalt), alternativt kväve och syrgas.^[14]

Vid injicering av argon och syrgas skapas en omrörning vilket gör det möjligt för att kolet ska kunna reagera med syret och bilda CO i konvertern, som efter-förbränns till CO2.[10]

En konverteringsprocess är uppdelad i flera steg med olika förhållanden mellan argon/syrgas. I det första steget är andelen syrgas högre än argon, därefter minskas syrgasandelen och argonandelen ökar successivt, till det sista steget där enbart argon används.^[14]

I och med den stora syrgasinjiceringen kommer krom att oxiderats enligt [2.1].

4𝐶𝑟 + 20₂ → 2𝐶𝑟₂𝑂₃ [2.1]

Genom att tillsätta föreningar som har högre syreaffinitet än krom, kan krom återreducera från slaggen till stålsmältan. Kisel har en högre syreaffinitet än krom, reaktion [2.2] sker.^[10]

Figur 3 visar Sandviks AOD-konverter under drift 2015.

3𝑆𝑖 + 2𝐶𝑟₂𝑂₃ → 3𝑆𝑖𝑂₂+ 4𝐶𝑟 [2.2]

Figur 3. AOD-konverter. AB Sandvik Materials Technology.^[15]

1.4.4 Skänkugn

Det flytande stålet transporteras i en gjutskänk via travers från AOD-konvertern till skänkugnen, som är det sista steget innan gjutning.^[7] Syftet med skänkugnen är att homogenisera temperaturen så att hela smältan erhåller samma temperatur och sammansättning. Behöver temperaturen ökas, används elektrisk energi från tre grafitelektroder likt ljusbågsugnen. Temperaturen sänks genom att öka omrörningen av stålet.^[11]

I skänkugnen används elektrisk induktion eller argon som tillsätts genom dysor i botten av ugnen för att skapa en god omrörning av stålet. Genom en god omrörning homogeniseras stålet snabbare.^[10]

8 Om stålets sammansättning avviker, kan en viss justering ske genom extra legeringstillsatser i skänkugnen. Skänkugnen kan användas för att rena stålet från syre och svavel.^[7]

1.4.5 Stränggjutning

Stränggjutning är en process som på senare tid har ersatt götgjutning allt mer. Götgjutning används främst för att gjuta större ämnen än vad som är praktiskt i stränggjutningen, samt i mindre stålverk där stålsorter varierar och stålproduktionen är mindre. Stränggjutningen har fördelarna att det är mer kostnadseffektivt, då produktionen ökar, lägre energikonsumtion, samt att processen kräver en mindre yta. Möjligheten finns att gjuta i sekvenser om det inte är allt för varierande stålsorter samt även gjuta kontinuerligt för att öka produktionen. Se Figur 4.

Figur 4. Stränggjutning, AB Sandvik Materials Technology.^[16]

Det smälta stålet transporteras i en skänk över till en gjutlåda. I botten av skänken tappas stålet genom att en dysa öppnas och stålet rinner ner i ett skänkrör och vidare ner i gjutlådan.

Skänkröret används för att stålet inte ska reagera med det omgivande syret. Från gjutlådan rinner sedan stålet vidare ner genom en ny dysa ner i en kokill, vilket skapar formen av det producerade ämnet. Sandvik använder sig av tre kokiller, således produceras tre strängar av ämnen från varje charge. Mellan kokill och gjutlåda används även ett gjutrör, som även den har för avsikt att isolera stålet mot omgivningen. I kokillen används gjutpulver för att minska friktionen för det producerade ämnet. Kokillen är vattenkyld, vilket gör att ämnet stelnar på ytan och ett skal bildas runt om ämnet. Efter att ämnet har lämnat kokillen drivs ämnet av drivrullar in i olika kylzoner bestående av vatten. Ämnet kyls successivt utifrån och in.^[17] Figur 5 visar en principiell stränggjutning som är beskriven ovan.

9

Figur 5. Principiell bild för stränggjutning.^[18]

Sandviks stränggjutning har en krökt bana på en radie om 12 meter och inkluderar ett riktverk för att ämnet ska erhålla en rak form. När ämnet har stelnat tillräckligt, kapas ämnena med syrgas och järnpulver (järnpulver vid hårdare ämnen) till specifika längder. Första delen av ämnet kapas alltid bort (kallas startskrot) och används som returskrot. Då startskrotet kan ha en sämre kvalité på grund av reaktioner med luft då gjutlådan fylls med stål. Sista biten av ämnet används också som returskrot (kallas slutskrot), då det oftast inte är tillräckligt med material kvar för att framställa den givna ämneslängden.^[19] Sandvik producerar 3 olika ämnen billets och blooms, med dimensionerna för blooms (265x265mm och 265x365mm) och billets (150x150 mm).^[1]

1.4.5.1 Skärslagg

Vid kapningen av ämnena bildas ett mörkt spånliknande material kallat ”skärslagg”, innehållande den sammansättningen som respektive producerad stålsort har, järnpulver samt även försumbara mängder gjutpulver. Varje charge har ett specifikt körprogram som bestämmer hur brett varje snitt ska vara, vilket varierar mellan 15–25 mm. Den producerade skärslaggen faller ner tillsammans med kylvattnet till en behållare under stränggjutningen. En uppskattad vikt för den producerade skärslaggen beräknas genom en genomsnittlig densitet för stål och dimensionerna för skärsnitten vilket genererar cirka 650–750 ton skärslagg per år.

Vägning av skärslaggen sker vid vidare hantering av skärslaggen. Vikten anses vara osäker, då stora mängder vatten från kylningen av stränggjutningen finns med i denna invägning.^[19]

Syftet med gjutning är att stålet ska stelna till en avsedd geometri och med rätt struktur.^[17]

10

1.5 Miljö

BAT (från engelskan Best Available Techniques) är ett internationellt dokument som har tagits fram. Detta syftar på att företag till den mån det går använder sig av den tekniken/teknikerna inom en viss sektor som kan tillämpas för att minimera den miljömässiga påverkan. TemaNord 2006:509 är BAT-exempel från nordisk järn- och stålindustrin samlade i en studie. Denna används för att kunna minska miljöpåverkan och energiåtgången för produktion och bearbetning inom järn- och stålindustrin.^[20]

En restprodukt kategoriseras antingen som ett avfall eller en biprodukt. En biprodukt återanvänds alltid, ett avfall är en restprodukt som inte har ett ekonomiskt värde, inte har en extern/intern användning eller som måste deponeras. På Sandviks område finns det idag flera restprodukter som kallas för skärslagg, där dessa produkter framställs genom bearbetning av stål, främst via kapning. Dessa restprodukter klassas vidare under kategori glödskal med en avfallskod 10 02 10 ^[21].Dessa har en ämnad återanvändning och en fullständig avsättning.

Inget av detta deponeras idag.^[22]

Idag transporteras ca 450–550 ton glödskal från höglegerade stålsorter till Vargön Alloys för att bearbeta upp materialet och utvinna ferrokrom (kromrikt järnmaterial). Ferrokromet kommer i sin tur att köpas tillbaka av Sandvik för att återanvändas i produktionen av nytt höglegerat stål. Genom att bearbeta upp glödskalet kan en mer ren järn-krom råvara användas till produktionen, istället för en mer utblandad råvara. Detta är idag enligt BAT, en av de tekniker som är mest lämpad för glödskal av ekonomiska och miljömässiga skäl.^[23] Om skärslaggen är tillämpbar för den lösningen är inget som inkluderas i detta arbete.

11

2 TEORI

2.1 Slagg – oxidisk smälta

En slaggsmälta i en ljusbågsugn består av fyrvärda kiselanjoner i olika strukturer SiO2, Si2O52- och Si2O64-. Dessa silikater samverkar med varandra och bygger upp ett nätverk i slaggsmältan genom jonbindningar. Vidare innehåller smältan katjoner, bland annat Fe²⁺/Fe³⁺, Ca²⁺ och Mg²⁺ som agerar som nätverksbrytare, vilket innebär att silikatstrukturen bryts ner.^[24]

När förhållandet mellan katjoner och SiO2 är mer än 2, är silikatnätverket helt nedbrutet och smältan består av en blandning med SiO44--joner, katjoner och O^2-.^[25]

2.1.1 Basicitet

I en oxidisk smälta finns det i huvudsak sura och basiska oxider. Den sura oxiden tar upp syre, och den basiska oxiden avger syre. Reaktionerna (2.1 – 2.3) visar reaktioner mellan en basisk och en sur oxid.^[24]

𝑆𝑖𝑂₂+ 2𝑂²⁻↔ 𝑆𝑖𝑂₄⁴⁻ [Sur oxid] [2.1]

2𝐶𝑎𝑂 ↔ 2𝐶𝑎²⁺+ 2𝑂²⁻ [Basisk oxid] [2.2]

∑ 𝑆𝑖𝑂₂+ 2𝐶𝑎𝑂 ↔ 2Ca²⁺+ 𝑆𝑖𝑂₄⁴⁻ [2.3]

Genom detta kan uttrycket basicitet användas, vilket beskriver förhållandet mellan bas/syra, nedan följer de vanligaste basicitetsmåtten.^[26]

𝐵₂ = ^{%𝐶𝑎𝑂}

%𝑆𝑖𝑂2 [2.4]

𝐵₃ = ^{%𝐶𝑎𝑂}

%𝑆𝑖𝑂₂ ∙%𝐴𝑙₂𝑂₃ [2.5]

𝐵₄ = ^{%𝐶𝑎𝑂∙%𝑀𝑔𝑂}

%𝑆𝑖𝑂2 ∙%𝐴𝑙2𝑂3 [2.6]

I en neutral slagg råder det jämvikt mellan de avgivande och upptagande oxiderna. Ökar den basiska oxiden erhålls en basisk slagg och således B2, omvänt gäller vid ökandet av en sur oxid.^[24]

Ungefärliga halter i en typisk slagg för låglegerat stål är: CaO (44%), FeO (19%), SiO2 (13%) och MgO (9%). Även halter kring 5% för följande föreningar (Cr2O3, Al2O3 och MnO) är vanligt förekommande.

2.1.2 Skummande slagg

En skummande slagg är en slagg som påminner om någonting som jäser, denna slagg innehåller oupplöst material, gas, flytande slagg och metalldroppar. En skummande slagg är direkt beroende av följande parametrar; gasbildning, bubbelstorlek, ytspänning, viskositet och basicitet.^[13]

Kol och syre injiceras i stålsmältan via lansar till ljusbågsugnen. En skummande slagg erhålls genom att kol oxiderar till kolmonoxid och transporteras upp genom slaggen, vilket

12 bildar stora gasvolymer och slaggen expanderar.^[9] Genom att öka kol- och syrgastillförseln i ugnen ökas således gasvolymerna, vilket bidrar till en ännu mer skummande slagg.

Gasbubblorna binds oftast till lösta partiklar (kärnbildare) i stålbadet som transporteras till slaggen, således renas stålbadet från fria partiklar.^[9] Mindre bubblor har lättare att bildas, är fler till antalet och är stabilare, däremot är lyftkraften från dem inte tillräcklig för att lyfta större partiklar. Omvänt gäller för större bubblor, däremot om ytspänningen är för låg för de större bubblorna spricker de på vägen upp, och de lösta partiklarna faller ner igen.^[27] Kisel, fosfor, kol och syre minskar ytspänningen i smältan, medan ytspänningen ökas av järn, aluminium och magnesium.^[9]

En hög viskositet är viktigt för en skummande slagg, då bubblornas uppehållstid är högre än vid en låg viskositet. Detta innebär att vid en låg viskositet har gasen lättare att tränga genom och omvänt vid en hög viskositet. En hög viskositet genererar därigenom en högre slaggbädd, det vill säga höjden på slaggen i ugnen. Detta bidrar till ökad isolering, skyddande av infodring etcetera.^[13]

Basisteten är direkt kopplad till sammansättning, temperatur och viskositet hos en slagg.

Genom att öka halten CaO i en sur slagg bryts silikatnätverken och bidrar till en lägre viskositet.

I en sur slagg är basiciteten låg och detta medför att viskositeten ökar. Se Figur 6 (vänster).

För en basisk slagg gäller det omvända, en ökning av CaO medför en övermättnad av oxider.

Detta medför att CaO fälls ut som en fast fas och således ökas viskositeten. Se Figur 6 (höger).

I en basisk slagg ska B2 vara mer än 1,5.^[13]

Figur 6. Inverkan av basicitet och viskositet vid olika temperaturer i en slaggsmälta.^[13]

2.1.3 CaO-FeO-SiO2

Genom att vikta sammansättningen i ett slaggsystem för tre föreningar och sedan normalisera dem mot varandra går dessa att ställa upp i ett trefasdiagram. I detta arbete jämfördes föreningarna CaO, SiO2 och FeO mot varandra. Se Figur 7. Dessa föreningar utgör den största vikten i detta arbetes slaggsammansättning.

Främsta fördelen med ett trefasdiagram är att det går att urskilja information för tre element istället för två element som i ett traditionellt tvåfasdiagram. Fasdiagram beskriver vilka fasförändringar som sker då sammansättningen varieras inom det system som beskrivs i fasdiagrammet under förutsättning att jämvikt råder. Vid givna sammansättningar kan stelningstemperatur avläsas och vilka faser som är i jämvikt. Genom en så kallad

13 isopletalstudie kan ett stelningsförlopp för en specifik slaggsmälta beräknas med hjälp av slaggens sammansättning och temperatur. ^[28]

Figur 7. Trefasdiagram slaggsystem CaO-FeO-SiO2 [29]

2.2 Ellinghamdiagram

Ett Ellingham-diagram är uppbyggt av experimentellt framtaget data i jämviktsförhållanden för elementära metaller och metalloxider. Gibbs fria energi för bildandet av oxider (ΔG°) visas på y-axeln med ökande ΔG° högre upp i diagrammet. Lutningen för varje metalls kurva beskriver hur spontan (ordning/oordningen i ett system) en reaktion är (ΔS°).

Skärningspunkten med y-axeln beskriver entalpin för varje reaktion (ΔH°), x-axeln anger temperaturen (°C).^[30]

Vid smält- och kokpunkter för exempelvis zink, magnesium och kalcium ändras lutningen på kurvan, vilket medför till att spontaniteten ändras. Diagrammets främsta fördel är att kunna beskriva vid vilken temperatur, kontra partialtrycket av syre det går att reducera en metalloxid. Se Figur 8.

Partialtrycket av syre visas i yttre kanten av diagrammet, och för varje element kan ett syrepartialtryck utläsas vid jämvikt. Är partialtrycket för syre högre i systemet än jämvikten, sker en oxidation av metallen och omvänt vid ett lägre partialtryck.^[30]

14 De element som är längre ner har högst syreaffinitet (benägenhet att reagera med syre), medan de högre upp har en lägre syreaffinitet. Genom att ΔS° varierar för de olika metallerna kan syreaffiniteten skifta mellan närliggande element, exempelvis magnesium och aluminium vid temperaturer över 1550°C. Således kan detta användas för att reducera värdefulla element, samtidigt sker en oxidation av mindre önskade element.^[31]

Figur 8. Ellingham-diagram för oxider.^[32]

2.2.1 Järn

Vid syrgas och kolinjektion reagerar syret med det smälta järnet vilket bildar järnoxid.

Därefter fortsätter reaktionen genom att kol reagerar med den bildande järnoxiden, vilket resulterar i en återreduktion av järnet och kolmonoxid bildas. Vidare sker även en samtidig reaktion med syre och kol och bildandet av ytterligare kolmonoxid. Reaktioner mellan kolmonoxid och järnoxid kan reducera järn och bilda koldioxid. Se reaktionerna (2.7–2.10).

15

𝑂₂+ 2𝐹𝑒 ↔ 2𝐹𝑒𝑂 [2.7]

𝐶 + 𝐹𝑒𝑂 ↔ 𝐶𝑂 + 𝐹𝑒 [2.8]

2𝐶 + 𝑂₂ ↔ 𝐶𝑂 [2.9]

𝐹𝑒𝑂 + 𝐶𝑂 ↔ 𝐹𝑒 + 𝐶𝑂₂ [2.10]

2.2.2 Fosfor

Tillvägagångssättet när det kommer till nedsmältning och gjutning för framställning av skrotbaserad rostfritt stål är likartat skrotbaserat låglegerat stål. Skillnaderna beror mer på sammansättningen i stålen och dess användningsområden, samt att det sällan krävs ett konverteringssteg i en AOD-konverter vid låglegerad stålframställning.

Som tidigare nämnt råder det oxiderande förhållandena i ljusbågsugnen, således oxiderar många element. Krom och kisel har lätt att oxidera och återfinns i stor utsträckning i slaggen.

Andra element som fosfor oxiderar vid lägre temperaturer och kan oxidera till slaggen i ett tidigt stadie i nedsmältningsprocessen.^[24]

Fosfor är oftast ett oönskat element som finns med i många råvaror (skrot) och kan leda till håligheter i stålet vid stelning, samt kan minska hållfastheten vid låga temperaturer.^[33]

För att fosfor ska oxidera från stålbadet till slaggen krävs en hög syreaktivitet och låga temperaturer, då skiftar reaktion (2.11) åt höger. Vid högre temperaturer och injicering av kisel och kol kommer en återreduktion av fosfor att ske och reaktion (2.11) skiftar åt vänster.^[14]

𝑃 + 5/2𝑂 + 3/2𝑂²⁻ ↔ 𝑃𝑂₄³⁻ [2.11]

Vid låglegerade stål tappas slaggen av regelbundet för att den fosfor som har oxiderats ska lämna smältan. Däremot tappas inte slaggen av vid rostfri stålframställning från ljusbågsugnen, då slaggen innehåller värdefullt krom. Istället injiceras mer kol som reducerar krom och fosfor tillbaka till smältan.

Således är halterna av fosfor högre i rostfritt stål än i låglegerat. Möjligheten finns att slagga av även för rostfritt stål. Då krävs det större mängder rent krom senare i processen för att ersätta det förlorade kromet i slaggen. Detta är oftast ett dyrare processförfarande.

Alternativet är att välja råvaror med låga halter fosfor för att minska risken för en hög halt av fosfor.^[7]

2.2.3 Krom

Krom reagerar lätt med syre och är således ett reaktivt element i en ljusbågsugn. I Ellingham diagrammet ligger krom långt ner och således är syreaffiniteten hög. Detta innebär att krom är ett element som hamnar i både slaggen och i stålsmältan. Därigenom är det svårt att kunna prognostisera en specifik halt av krom.^[32]

I teorin går det att övermätta en smälta med exempelvis kalcium, magnesium eller aluminium för att minimera oxidation av krom. Skulle även syretillförseln begränsas, kommer

16 allt syre att oxidera nämnda element och således finns inget syre kvar till att oxidera krom.

Omvänt går det att använda denna metod för att reducera det krom som redan har oxiderats till slaggen. Enligt reaktioner [2.12 – 2.14].

3Ca + Cr₂O₃ ↔ 3CaO + 2Cr [2.12]

3Mg + Cr₂O₃ ↔ 3MgO + 2Cr [2.13]

2Al + Cr₂O₃ ↔ Al₂O₃+ 2Cr [2.14]

Halterna av dessa element får inte överstiga vissa riktvärden för specifika stålsorter. Dessa föreningar hamnar i slaggen och kan då förändra slaggsammansättningen. Temperaturen i ljusbågsugnen begränsar hur effektivt det går att reducera krom med dessa element. Vid högre temperaturer används kol för att mer effektivt reducera krom och bilda kolmonoxid som därefter förbränns till koldioxid enligt reaktioner [2.15 – 2.16].^[31]

3C + Cr₂O₃ ↔ 3CO + 2Cr [2.15]

CO + 1/2O₂ ↔ CO₂ [2.16]

2.2.4 Nickel, Kobolt, Molybden och koppar

Nickel, kobolt, molybden och koppar ligger högt uppe i Ellingham-diagrammet.

Reaktiviteten och syreaffiniteten i en ljusbågsugn hos dessa element är låg. Dessa element kan anses som stabila i ljusbågsugnen. Detta innebär att den största delen av dessa element kommer återfinnas i stålet och inte i slaggen. Därigenom är det viktigt att veta vad det lastade skrotet har för sammansättning och välja stålsorter utefter det skrot som lastas. Är exempelvis stora mängder koppar lastat i en stålsort som är känslig mot koppar, kommer nästintill allt koppar stanna kvar i smältan. Detta resulterar i att chargen måste spädas eller helt kasseras eller att chargen måste bytas till en annan stålsort.

2.3 Provtagning ljusbågsugnen

När allt stål är smält i ugnen, ligger ett täcke med slagg ovanför stålet. Genom den höga temperaturen i ugnen under drift, är kinetiken hög och således även utbytet mellan slagg och stål. Dessa två zoner strävar efter en jämvikt samtidigt som vidare reaktioner sker längre ner i smältan. Genom att ha en god omrörning i smältan kan även den smältan som ligger längst ner i ugnen reagera med övrigt stål och slagg, vilket skapar en mer homogen smälta.^[14]

Den slagg som tappas från låglegerade stålsorter blir en restprodukt som används för att tillverka främst betongblock. För att kunna bekräfta en viss sammansättning för denna slagg tas ett prov direkt från ugnen ”P50”.

Efter tappning tas ett stålprov ”P52” och ett nytt slaggprov ”P52S”. Vid tappning sker en kraftig omrörning som bidrar till att slagg och stål reagerar ytterligare med varandra. Detta kan leda till att prov P52S har en annan sammansättning än P50.

17

2.4 Analysmetoder

2.4.1 X-Ray Fluorescence spectrometry (XRF)

Används för att få en snabb analys för flera element på samma gång från ett enda prov.

Provresultaten kan beroende på element ge tillförlitliga resultat från procentsnivå ner till ppm (parts per million). Det är främst tyngre element som Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo och Ni som analyseras i (XRF) för bäst noggrannhet. Lättare element före Mg i periodiska systemet ger inte samma mätnoggrannhet som de tyngre, vilket beror på överlappningar i elementens matriser.

Provet läggs i ett röntgenrör och sedan strålas provet med primära röntgenstrålar, detta medför att en elektron från det inre elektronskalet skjuts iväg. Således erhåller atomen en instabil konfiguration. Elektroner i de yttre elektronskalen tar sig inåt för att sätta sig i den bildade vakansen i det inre elektronskalet. Detta medför en lägre energiposition och en överskottsenergi bildas. Den bildade överskottsenergin släpps iväg som sekundära röntgenstrålar, vilket är karaktäristiskt för varje specifikt material. Det är de sekundära röntgenstrålarna som analyseras och utvärderas av en detektor.^[34]

2.4.2 Optical emission spectrometry (OES)

Används främst för att ge en bättre noggrannhet för lättare metaller före Mg i periodiska systemet. Genom (OES) kan snabba resultat erhållas för prov från procentsnivå ner till ”ppm”.

För att analysera via (OES) krävs det att det är ledande metallprover. Analysmetoden kan ge upphov till systematiska fel genom överlappningar av matriseffekter. (OES) är en mindre stabil men billigare analysmetod än (XRF).

Det materialet som ska analyseras gjuts ner till ett prov likt en puck. Hög spänning via en elektrod används på provet för att förånga provmaterialet genom en gnisturladdning. Detta medför att atomerna kommer förflytta sig till ett högre energitillstånd men som är mindre stabil. Eftersom detta energitillstånd är mindre stabilt kommer atomerna att återgå till det ursprungliga energitillståndet, vilket i sin tur kommer avge en överskottsenergi. Denna överskottsenergi visar sig som en optisk emission och är karaktäristisk för olika material.

Denna optiska emission överförs vidare till en spektrometer och en detektor för att bestämma elementet.^[34]

2.4.3 Förbränning (Leco)

Används främst för att analysera icke metalliska element som C och S. Genom att få element analyseras via denna teknik så är det få element som ger överlappningar av matriseffekter. Detta är således en stabil analysmetod att analysera från procentsnivå till ”ppm”. Nackdelarna är mycket underhåll på utrustningen, samt att analysmetoden är känslig för kontaminering från degeln till provet samt även luft från omgivningen.

Provet placeras i en keramisk degel och smälts ner i en induktionsugn. Förbränningen sker genom kontrollerad syretillförsel och uppvärmning, C och S oxideras till SO2 och CO2. En infraröd adsorption används för att mäta mängden av gaserna. De adsorberade gaserna har

18 en karaktäristisk våglängd inom det infraröda spektrumet och således kan varje material urskiljas från varandra.^[34]

2.4.4 Extraktion

Extraktion används främst för att få en mer korrekt analys för N, H och O i ett prov. Genom analysmetoden extraktion smälts provmaterialet ner i en grafitdegel i en elektrodugn.

Atmosfären i ugnen är helium och således tillförs inget extra syre. Det syret som finns i provet oxiderar C till CO2 och CO. De föreningar som innehåller kväve kommer att sönderdelas till N2, samt det väte som finns tillgängligt släpps ut som H2.

Extraktionsenheten är utrustad med 4 IR-Celler och en TC-Cell. TC-cellen används för att mätta kväve, genom att mäta värmeledningsförmåga hos kvävgas. IR-cellerna används för att mäta väte. Genom att mäta H som vatten genom dess karaktäristiska IR spektrum. Syrehalten mäts genom att mäta CO och CO2 och analysera dess specifika IR spektrum.^[34]

19

3 METOD

Processflödet för detta arbete har utförts enligt Figur 9.

Figur 9. Processflöde för arbetet.

3.1 Karaktärisering

3.1.1 Skärslagg

Tidigare provtagningar har genomförts av ett externt företag där 1000 ton skärslagg analyserades för andra ändamål än detta arbete. Materialet till dessa provtagningar siktades och prov för analysering togs. Analyserna för alla element utom syre gjordes på Sandvik genom nedsmältning i en grafitdegel och analyserades sedan via OES. Syrehalten analyserades genom ett externt företag, Degerfors Laboratorium AB. Dessa analyser visade att kolhalten var något högre än för normalt producerat stål. Troligtvis hade grafitdegeln avgett en viss mängd kol till skärslaggen i nedsmältningsfasen av skärslaggen. Detta medförde en vidare analysering av kol. Genom att den gjorda provtagningen var baserat på en stor kvantitet kan det anses vara ett representativt prov av skärslaggen, och den sammansättning som togs fram i det tidigare arbete kommer att användas som bas även i detta arbete (utom kolhalten).

Analysresultaten är presenterade i bilaga 1.

3.1.2 Kolhalt

Skärslaggen var producerad under normala förhållanden och 30 prover togs för att analysera kolhalten. Provtagningen gjordes enligt Figur 10, där proverna var tagna på tre olika höjder botten (B), mitten (M) och toppen (T), och med stigande provnummer från 01 till 10.

Figur 10. Provtagning skärslagg från skrotgården 2019-09-25.

Dessa prover analyserades via analyseringsmetoden Leco på Sandvik för att mäta en ny kolhalt som var mer representativ för skärslaggen. Ett medelvärde av dessa prover användes som kolhalt för detta arbete. En sammanställning av kolhalten finns i bilaga 3 och rådata för analyserna för kolhalten finns i bilaga 16–24. En sammanställning av de huvudsakligt förekommande elementen i skärslaggen och analysmetoderna finns i Tabell 1. Där inget annat anges var analysen utförd vid laboratoriet för kemisk analys vid Sandvik Materials Technology.

20

Tabell 1. Sammansättning i skärslaggen.

Element Vikt-% Analysmetod

Fe 48,7 OES

O 12,5 Degerfors Laboratorium AB

Cr 9,3 OES

Ni 5,5 OES

Mo 0,95 OES

C 0,28 Leco

Cu 0,16 OES

Co 0,13 OES

En massbalans baserat på mängden tillgängligt syre gjordes, för att få en uppskattad beräkning på hur stor andel av metallerna som förelåg som oxider i skärslaggen. Detta visade att 63% av metallerna förelåg som oxider. Antagandet gjordes att syret fördelades mellan metallerna krom och järn. Halten krom var begränsande och allt krom antogs bilda kromoxid, det övriga syret bildade järnoxid. Analyserna var baserade på viktbasen 1 kg. Se Tabell 2.

Tabell 2. Uppskattad beräkning hur stor andel av metallerna som föreligger som oxider.

Element/förening Analys [vikts-%] Molmassa [g/mol] Antal mol [per kg] Antal mol oxider Vikt oxider [g]

O 12,5% 16,0 7,8 -

Fe 48,7% 55,8 8,7 -

Cr 9,3% 52,0 1,8 -

FeO - 71,8 - 6,9 495,8

Cr2O3 - 152,0 - 0,9 136,8

Totalt 632,5

Procentuellt 63%

3.1.3 Prov 52 stålprov

Efter att stålet hade tappats från ljusbågsugnen togs ett prov genom att en robotarm och en keramisk provtagningspinne sänktes ner i stålbadet. Stålet leddes in i mitten av provtagningspinnen. När provet var fyllt lyftes robotarm med prov upp ur badet och provet stelnade till ett prov likt en klubba ”lollipop”, se Figur 11. Provet innehöll en pinne och en puck.

Provet skickades med rörpost till Sandviks laboratorium för kemisk analys, för att ge ett analyssvar om stålets sammansättning. Inom 6 minuter skickades svaret till operatörerna vid ljusbågsugnen för fortsatt drift och legeringsberäkningar.

Pinnen från provet användes för att mäta kol- och svavelhalten genom Leco och kvävehalten mättes genom extraktion. Pucken torr- och våtslipades för att skapa en slät yta för att kunna analysera bland annat järn, krom, koppar, nickel och molybden i stålet via XRF.

Lättare element som aluminium och zink analyseras via OES.

21

Figur 11. Lollopopprov för analysering.

3.1.4 Prov 52 slagg

Slaggprov 52 togs direkt efter tappning via provtagningsroboten som tar stålprovet. Slagg fastnar på provtagaren som senare efter stelning knackas av och skickas för analys till Sandviks analyslabb via rörpost. Svarstiden på slaggprov 52 var längre än svarstiden för stålprovet.

Slaggproven analyserades via XRF för att mäta MgO-, Al2O3-, SiO2-, Cr2O3-, FeO- och CaO- halten i slaggen.

3.1.5 Skärsslaggsvikt

Det totala antalet skärsnitt som produceras per år visas i Figur 12. Värdena är tagna från Sandviks databas under perioden 2013 – 2018. Dessa siffror blir direkt kopplade till antalet charger producerade per år och vilken dimension som har producerats i störst omfång. De gula markeringarna är det totala antalet skärsnitt producerat per år och de övriga staplarna är de olika dimensionerna (265X265 visas på den sekundära axeln i och med storleksordningen på axlarna). Under denna period har 88 993 till 95 314 skärslaggssnitt gjorts.

Figur 12. Antalet skärsnitt uppdelat per strängdimension mellan perioderna 2013 – 2018.

30904 36471 34828 33137 37672 36703

57203 57436

49950 52551 57291 56477

449 424

215 309 351 441

88556

94331

84993 85997

95314 93621

0 500 1000 1500 2000

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

2013 2014 2015 2016 2017 2018

Antal skärsnitt (265X265)

Antal skärsnitt övriga

Antal skärsnitt Sandvik 2013-2018

150X150 365X265 265X265 Totalt

22 Den totala mängden skärslagg i ton per år mellan åren 2013 - 2018 visas i Figur 13. De gula markeringarna visar den totala mängden skärslagg producerats per år och de övriga staplarna är de olika dimensionerna (265X265 visas på den sekundära axeln i och med storleksordningen på axlarna). Under denna period producerades det mellan 654 och 746 ton skärslagg.

Figur 13. Skärsnittsvikten uppdelat per strängdimension mellan perioderna 2013 – 2018.

3.2 Kartläggning

För att fastställa om det går att återanvända skärslaggen som råmaterial i ljusbågsugnen behövdes det finnas stålsorter som producerades kontinuerligt och i längre kampanjer. Det krävdes även att lastningen av skärslagg och övrigt skrot skedde på ett likartat sätt för alla försök. För att kunna beräkna ett utbyte från skärslaggen måste stålsorten ha en hög toleransgrad för legeringsämnena nickel, krom och molybden. Samtidigt skulle gränsvärdena inte vara för höga så att legeringsämnena från skärslaggen ”drunknar” i stålsmältans övriga legeringar. Genom sökningar i Sandviks databas från tidigare år kunde en ungefärlig överblick tas fram på vilken/vilka stålsorter som var lämpliga att använda som försöksstålsorter.

3.2.1 Stålsorter

En sökning av antalet stålsorter under perioden 2013 till 2018 i Sandviks databas gjordes.

Dessa sorterades senare efter det totala antalet charger per stålsort. Detta resulterade i 20 145 charger, 46 stålsorter bidrog med 80,78 % av dessa charger.

Genom att ta ut data för riktvärden för dessa 46 stålsorter kunde en ny uppdelning av stålsorterna göras enligt Tabell 3. Grupp ”hög” var de stålsorter som hade höga halter av krom, nickel och molybden. Dessa kommer mest troligt inte bli berörda av en tillsats av skärslagg, däremot kan effekten vid tillsättning av skärslagg bli svår att upptäcka.

81.8 96.6 92.1 87.5 99.5 97.0

644.2 645.7

560.1 587.4

639.3 630.4

3.5 3.3

1.7 2.4 2.8 3.5

730 746

654 677

742 731

0 10 20 30 40 50

0 100 200 300 400 500 600 700 800

2013 2014 2015 2016 2017 2018

Vikt 265x265 (ton)

Vikt övriga (ton)

Skärsnittsvikt Sandvik 2013 - 2018

150X150 365X265 265X265 Totalt