Stålkompetens – från masugn till stålgjutgods
Författare, företag och rapportnummer
2020–009 Sten Farre RISE Swecast AB
Svenska Gjuteriföreningen Box 445, 551 16 Jönköping
Telefon 036-726 78 00 info@gjuteriforeningen.se www.gjuteriforeningen.se
© 2021, Svenska Gjuteriföreningen
Författare Rapport nr Utgåva
Datum
Sten Farre 2020–009_ 2021-01-21
Sammanfattning
Sverige har alltid hållit sig långt framme när det gäller järn och stålhantering. Kun- skaper som har införskaffats inom bruken och senare stålverken har kommit stål- gjuterierna till gagn. Syftet med rapporten har varit ett försök att beskriva överfö- ringen av kompetens från masugn till stålgjutgods. Rapporten ger en historisk över- blick av utvecklingen och belyser de utmaningar som stålindustrin står inför och därmed även stålgjuteribranschen. Arbetet har utförts som en litteraturstudie och följande frågor har behandlats;
Kompetensförsörjning, Minskad energiförbrukning, Minskning/eliminering av CO2 utsläpp, Förändrade materialegenskaper, Framtida råvaruresurser.
Summary
Sweden has always been at the forefront when it comes to iron and steel handling.
Knowledge that has been acquired within the ironworks and later the steelmills has benefited the steel foundries. The purpose of the report has been an attempt to de- scribe the transfer of competence from blast furnaces to steel castings. The report provides a historical overview of the development and highlights the challenges facing the steel industry and thus also the steel casting industry. The work has been carried out as a literature study and the following questions have been addressed.
Skills supply, Reduced energy consumption, Reduction / elimination of CO2 emis- sions, Changed material properties, Future raw material resources.
.
Innehållsförteckning
1 TILLKOMST ... 1
2 INLEDNING ... 1
3 SYFTE OCH MÅL ... 2
4 STÅLINDUSTRINS UTMANINGAR ... 2
4.1 KOMPETENSFÖRSÖRJNING ... 2
4.1.1 Stålgjuteriernas kompetensbehov ... 3
4.1.2 Kompetensöverföring stålverk till stålgjuterier ... 5
4.2 ENERGIFÖRBRUKNING ... 6
4.2.1 Teoretisk energiåtgång vid tillverkning av stålgjutgods ... 6
4.2.2 Likvidus- och solidustemperaturer ... 8
4.3 MINSKNING AV ENERGIFÖRBRUKNINGEN ... 12
4.3.1 Stålverkens minskning av energiförbrukning vid smältning ... 12
4.3.2 Minskad energiförbrukning i stålgjuteriet ... 13
4.4 MINSKNING ELLER ELIMINERING AV KOLDIOXIDUTSLÄPP. ... 19
4.5 FÖRÄNDRADE MATERIALEGENSKAPER ... 21
4.6 FRAMTIDA RÅVARURESURSER ... 22
5 INDUSTRINYTTAN MED PROJEKTET ... 24
6 REKOMMENDATIONER TILL FORTSATT ARBETE ... 24
6.1 UTVECKLING/ ANPASSNING AV NYA GJUTBARA STÅLLEGERINGAR OCH VITJÄRN ... 24
6.2 HITTA GEMENSAMMA FRAMTIDA TRENDER ... 25
6.3 OMVÄRLD ... 25
7 REFERENSER ... 27
Bilageförteckning
Antal sidor Bilaga 1 Kort historik - från stål till stålgjutgods 3 Bilaga 2 Några öppna forskningsrapporter från Jernkontoret 1 Bilaga 3 Pågående eller avslutade projekt inom Metalliska Material 4 Bilaga 4 Rapporter från Gjuteriföreningen, SWECAST, RISE 2
Bilaga 5 Gjuterinytt relaterat till stålgjutgods 1
1 Tillkomst
Projektet 2020–2039/P102261 ”Stålkompetens – från masugn till gjutstål” finansi- erad av Svenska Gjuteriföreningen är en genomförbarhetsstudie för att kartlägga vilka aktuella forsknings- och utvecklingsområden inom svenska stålverk som läm- par sig för kompetensöverföring till komponentgjuterier.
Ett antal prioriterade områden har angetts för anpassning och vidareutveckling som formulerades av deltagande stålgjuterier.
• Per Ytterell, Smålands Stålgjuteri, Ordf. forskningsgrupp stål.
• Mats Fredriksson, Österby Gjuteri,
• Bernt Lindeborg, Combi Wear Parts AB
• Jörgen Pettersson, Sandvik
• Joachim Rasmusson, Klafreström Stålgjuteri
• Mårten Lund, Keycast Kohlswa.
• Åsa Lauenstein, RISE Swecast, sekr. forskningsgrupp stål
Uppdraget hade en budget av 100 000 kr finansierat med forskningscheckar från Svenska Gjuteriföreningen.
Under projekttiden presenterades resultat av inhämtad information vid två ordinarie möten med forskningsgrupp stål.
2 Inledning
Bergsmän vi äro, bergsmän av ära…
Är inledningen på en av stålhanteringens mest kända sånger. Den handlar om stål- kokarens och gruvbusens stolta arbete med att ta fram det svenska stålet. Sverige har alltid hållit sig långt framme när det gäller järn och stålhantering. Med naturtill- gångar, vattenkraft och tack vara sina stora militära insatser ansågs vara en värdig forskningspartner vid utvecklingen av den framväxande industrin runt om järn och stålframställningen.
Sverige är ledande vad gäller forskning och utveckling av nya material för olika ändamål, så mycket som 60% av stålet som produceras i Sverige är specialstål med Duplexmaterial som största enskilda materialgruppn. Motsvarande andelar utom- lands för specialstål är runt 15%. Fram till mitten av 70-talet var svensk stålindustri framstående med att utveckla nya processer för framställning av stål. Sandvik grun- dades i mitten av 1800-tallet av Göran Göransson efter att lyckats förbättra Besse- mers konverter för framställning av stål. Processer som ASEA-SKF metoden som blev starten på tillverkningssteget som numera benämns som sekundär ståltillverk- ning där en skänk kan varmhållas och försättas under vakuum för avskiljning av inneslutningar. Professor Kalling vid Domnarvets Järnverk som utvecklade Kaldo- metoden för att avskilja slaggen från stålet på ett enklare sätt. Metoden har beskri- vits som bergsmannens hantering av grogglasets rotering för att få isbitarna att hamna mitt i glaset. I Hagfors vid Uddeholms Bruk utvecklades tillsammans med franska stålverk metoden som benämns CLU. Sedan har det inte skett så mycket.
Men nu tar stålindustrin i Sverige åter ledningen vad gäller utveckling av ny process för järn- och stålframställning genom projektet HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) där kolet i masugnen ska ersättas med direktreduktion med vätgas. Det leder till nya frågeställningar och utmaningar som dyker upp och
som kan komma att påverka stålgjuteriernas vardag på flera sätt. Hur blir det med tillgången på fallande skrot som råmaterial? Hur ska kompetensutvecklingen för- bättras och vad blir inverkan på materialet när vätgas ska användas för framställning av järnpellets?
3 Syfte och mål
Rapporten har till syfte att försöka beskriva de förändringar och stora utmaningar som stålindustrin globalt och i Sverige står inför och hur det kan förändra vilkoren för stålgjuterierna. Förändringarna som sker och har pågått under senaste decenium leder till en kompetensöverföring som är nödvändig för att gjuteriindustrin ska kunna vara en del av en fossilfri industrin 2045. Målet med rapporten är att påvisa var det kommer att krävas en ökad kompentens och formulera områden där nya forskningsprojekt bör genomföras.
4 Stålindustrins utmaningar
Stålindustrin eller bruken som det hette för i tiden har alltid varit drivande i utveckl- ingen av nya tekniker för att förbättra kvalité, utbyte, energiförbrukning och därmed förbättra lönsamheten [1]
Stålindustrin har, från brukens tid över delningen mellan bruk, stålverk och gjute- rier, historiskt drivit utvecklingen i kunskap om stålframställningens hemligheter som sedan överförts till framställningen av stålgjutgods. Idag står stålindustrin inför en rad utmaningar som även påverkar gjuteriindustrin som kan sammanfattas som:
Hållbar produktion av stål i hela framställningskedjan – Kompetensförsörjning
– Minskad energiförbrukning
– Minskning/eliminering av CO2 utsläpp – Förändrade materialegenskaper
– Framtida råvaruresurser.
4.1 Kompetensförsörjning
Kompetensöverföring tog fart tidigt inom Jernkontoret man insåg behovet av kom- petenta medarbetare ute vid bruken som inte var utbildade vid våra universitet utan var utbildade på en nivå som var anpassade för den växande industrin. I början av 1800-talet anlades Falu Bergsskola som sedan blev till Bergskolan KTH och 1830 grundade Frans von Scheele Bergskolan i Filipstad som elementarskola [1]. Den omfattande forskning som bedrevs genom Jernkontoret skulle därmed kunna om- sättas av ingenjörer som förstod att anpassa resultaten till respektive bruk. I dag ca 200 år senare, med de nya utmaningar som stålindustrin står inför så inser den att det saknas kompetens för att kunna bedriva en högt komplicerad framställningspro- cess och överföra vetenskapliga rön till rätt nivå.
Det saknas personer med utbildning av industrins behov, något som nuvarande hög- skoleutbildningar har misslyckats med [3],[4]. Högskolereformen har inte lyckats matcha utbud av utbildningar mot industrins behov av kompetens vilket framgår av Figur 1 den så kallade Beveridge-kurvan, ett samband mellan antal lediga jobb inom befintlig arbetsmarknad i förhållande till hur stor arbetslösheten är av arbetskraften eller som figuren beskriver sambandet mellan vakansgrad och arbetslöshet, ett ut- bud och efterfrågan kan det beskrivas som.
Figuren visar två perioder 1989 till 1991 och 2010 till 2017 där de två gröna linjer är ett medelvärde av storleken på arbetslösheten och lediga jobb att söka.
Som figuren visar har arbetslösheten stabiliserats på en betydligt högre nivå under den senare perioden, oavsett antal vakanser. I perioden 1989 till 1991 är det först när arbetslösheten ligger under tre procent som vakansgraden (lediga jobb) når över en procent. Under nästa högkonjunktur klättrar vakansgraden över en procent redan vid 6,5 procents arbetslöshet och i den nuvarande högkonjunkturen klättrar vakans- graden över en procent vid redan vid nio procents arbetslöshet.
Figur 1 Samband mellan vakansgrad och arbetslöshet vid två perioder. [4]
Den innebär att det som benämns jämviktsarbetslösheten, där det finns tillräckligt många arbetssökande för att nya jobb ska kunna besättas och arbetsmarknaden där- med utvecklas, har alltså tredubblats sedan högskolereformen 1993. Detta visar tyd- ligt att matchningen mellan vad våra läroverk utbildar och vad arbetsmarknaden efterfrågar fungerar sämre idag än för 30 år sedan [4]. Jernkontoret har sedan länge ett utbildningspaket för personal som ska arbeta inom stålindustrin [5].
4.1.1 Stålgjuteriernas kompetensbehov
Stålgjuteriernas behov av kompetent personal ligger inte på samma teoretiska nivå som för stålverken utan är mer en brist av praktiskt utbildad industripersonal med en gjuterikompetens som kan starta sin arbetsperiod utan allt för långa inlärnings- perioder.
I en rapport presenterat vid årskonferensen hos American Foundry Society 2007 [6]
framgår det att kunskapen inhämtat hos generationen ”babyboomers” håller på att gå förlorad och därmed en stor erfarenhetsbank av kunskap baserad på många års inlärning. Gjuteriindustrin betraktas av allmänheten som ett tungt och smutsigt icke glamoröst arbete vilket gör att det i framtiden kommer att vara fler immigranter som återfinns i gjuteriindustrin. Dessa har initialt en begränsad förmåga att uttrycka sig och förstå det nationella språket (engelska) [6]. I Sverige är det svenska som blir barriären för att få immigranter som har god gjuteribakgrund att smälta in i gjuteri- ets verksamhet.
Utbildningsprogram på svenska är kritiska för att uppnå en snabb inlärning om gju- teriteknik Figur 2 beskriver relationen efter ett antal år mellan erfarenhet som upp- nåtts i gjuteriet och erfarenhet adderad med utbildning som startpunkt. Yrkesskick- ligheten är högre med någon form av teoretisk-praktisk utbildning som startpunkt och leder till en högre förståelse för att lösa de problem som uppstår till följd av defekter vid gjutning och efterbearbetning.
Figur 2 Yrkesskicklighetens utveckling med hjälp av utbildning [6]
Baserat på bland annat erfarenheter från projektet Produktionslyftet som drevs av Chalmers och Swerea så kan bättre utbildning leda till minskade kostnader som en följd av ökad kunskap om hur processen ska hanteras och förbättras och därmed en ökad lönsamhet.
Figur 3 försöker beskriva hur erfarenhet och erfarenhet kombinerad med utbildning påverkar skillnaden i kvalitetsbristkostnader vid tillverkning av gjutna ämnen.
Figur 3 Minskning av kvalitetsbristkostnader till följd rätt utbildning [6].
Någon form av teoretisk utbildning hos gjuteripersonalen leder till lägre kvalitets- bristkostnader enligt rapporten.
4.1.2 Kompetensöverföring stålverk till stålgjuterier
I Sverige finns en lång och obruten tradition av stålframställning och hög kompe- tens finns tillgänglig för anpassning och optimering av hållbara produktionsproces- ser och analys- och kontrollmetoder för stål. Kompetensöverföring skedde under 1900-talets början inom Jernkontoret genom riktad forskning och resultaten som erhölls från råstålsframställning via götgjutning fördes över på framställning av styckegods. En sådan metod var användning av ljusmikroskop för att särskilja olika materialkvaliteter, sedan kom spektrometer till användning och kunskapen kring denna analysmetod fördes över till stålgjuterierna succesivt. Även den så vanliga metoden att mäta hårdhet utvecklades inom svensk bruksindustrin, främst vid Fa- gersta Bruk av J. A. Brinell [7].
Det är dock inte trivialt att överföra stålverkens erfarenheter till komponentgjuterier eftersom mindre tillverkningsvolymer och mer komplexa produktgeometrier ändrar förutsättningarna.
Så länge stålgjuterierna använde sig av ljusbågsugnen som smältmaskin var det rimligt enkelt att vidarebefordra inhämtade forskningsresultat från de stora stålver- ken. Studerar man tidskriften Stahl und Eisen så framgår det tydligt att så är fallet.
Kunskap om smältans raffinering, färskning och användning av dubbla slagger för att framställa bättre stål och på samma gång öka produktiviteten användes även för framställning av styckegods.
Flera avgörande utvecklingsarbeten inom stålverken ledde alltså till kunskapshöj- ning inom stålgjuteribranschen. En förbrukningsvara som idag är standardvara är användning av prefabricerade matarhylsor, isolerande, exoterma-isolerande som har ökat formutbytet (ämnesvikt genom avgjuten vikt i form) hos stålgjuterier från ett genomsnitt av 35% till att idag ligga närmare 60%. Enstaka tillfällen så högt som runt 80% förekommer.
Många av de hjälpmedel vi idag använder inom stålgjuterierna har sitt ursprung från stålverken, intermittent och kontinuerlig temperaturmätning, spektrometer, syre- och vätgasmätningar, eldfasta material och som ovan nämnt matarhylsor och även täckmedel till matare. Skyddad tappstråle för bottentömmande skänkar under gjut- ningen är något förts över från stålverken till gjutning [8].
Införandet av processteg som spolning med argon, inblåsning med lans för svavel- reduktion är något av det som stålgjuterier tagit till sig för att kunna förbättra kva- liteten på stålgjutgods, liksom kunskapen om hur stål kan och ska värmebehandlas för att uppnå önskade egenskaper kommer från omfattande forskning inom stålin- dustrin.
Jernkontoret har gett ut stora mängder med forskningsrapporter där merparten end- ast är öppna för medlemmar inom forskningsgruppen men många är öppna och kan laddas ner från Jernkontorets hemsida.
I Bilaga 2 redovisas en lista över forskningsrapporter som släppts. De belyser flera av de frågeställningar som har varit aktuella sedan millennieskiftet. Miljö och krets- lopp, optimering av legeringstillsatser, inverkan av spårelement på materialegen- skaper.
I Bilaga 3 redovisas de projekt som beviljats eller har avslutats inom det strategiska programmet Metalliska Material och visar lite av de frågeställningar som finns hos stålindustrin.
Mycket av forskningen har överförts helt eller delvist till gjuterierna där minst 60 rapporter från 1980 till 2020 via forskning hos Gjuteriförening, SWECAST och RISE kan hänföras till nytta för att bygga kunskap hos stålgjuterierna.
Dessa rapporter är samlade i Bilaga 4.
Dessutom ca 25 Gjuterinytt från 1979 till 1988 samlade i Bilaga 5
4.2 Energiförbrukning
Den globala trenden idag är att öka andelen fossilfri energi och därigenom minska andelen utsläpp av växthusgaser. Överlag måste industrin minska sina energibehov, det ger stora framtida energiutmatningar. Industrier med stort energibehov måste se över sina processer och hitta innovativa lösningar på hur processen kan optimeras utifrån ett energiperspektiv.
4.2.1 Teoretisk energiåtgång vid tillverkning av stålgjutgods
I litteraturen förekommer varierande information om hur mycket energi det åtgår för att smälta ett ton stål ofta angivet som likställt med järn som rent grundämne.
För ”järn” är värdet 59 kJ/mol som krävs för att uppnå 1539 °C sedan krävs det ytterligare 15,5 kJ/mol för att hålla allt smält. Det går att beräkna teoretisk energiåt- gång för att smälta en given stållegering. Alla ämnen har en inneboende energi, entalpi, som anges som kJ/mol. Mol är en storhet som anger en viss mängd atomer för varje grundämne i Bilaga 6 framgår det att atomvikten är 12,011 g/mol för kol.
Sammanställning av entalpin för en rad grundämnen har tagits fram och redovisats i en rad diagram i boken Thermodynamic Tables for Process Metallurgists [9], Fi- gur 4 visar den energimängd som krävs att tillföra varje ämne för att uppnå en given temperatur.
Figur 4 Entalpi för några vanliga stålämnen. Omarbetad från [9]
Ur figuren kan man se att flera språng sker på kurvan. Varje lodrätt hopp är en omvandling i atomstrukturen, fasomvandlingar. Den sista längst till höger är när materialet smälter (M). Höjden på det språnget är det som kallas för ett materials latenta värme (inneboende). Det är den energimängd som frigörs när material stel- nar och som påverkar till exempel svalningshastigheten för olika material. För att
gjuta smältan krävs att temperaturen höjs ytterligare till en tapptemperatur ur ugnen.
Entalpiteten är beroende av det specifika värmet för ett givet material och en tem- peraturskillnad för att få den energimängd som krävs för att värme upp ett material.
Genom att använda Figur 4 och andra tabeller ur samma bok [9] som beskriver just hur mycket energi som åtgår till att värme ett ämne till en viss temperatur kan den teoretiska energimängden utläsas och en sammanställning göras för flera viktiga grundämnen som ingår i vanligt stålgjutgods. Enheten kJ/mol räknas lämpligen om till kWh/ton genom att använda molvikten för varje grundämne. För järn blir då ovan stående 59 kJ/mol till 293,5 kWh/ton.
I Figur 5 har några fler legeringselement infogas och författaren har räknat fram en teoretisk bild av energiåtgången som krävs för att värma upp till en given tempera- tur.
Figur 5 Teoretisk energiåtgång för att värma vanliga legeringsämnen
Då sammansättningen för en legering är känd kan ekvationen nedan användas för framtagning av entalpi, teoretiskt energiinnehåll.
Teoretisk så åtgår det en vis mängd energi för att värme upp ett material till smält- punkten. Energimängden som krävs för att höja temperaturen från rumstemperatur till smältpunkten för en given legering beskrivas som:
𝑯 = 𝒂𝟏 𝒙 𝒉𝟏 + 𝒂𝟐 x 𝒉𝟐 + 𝒂𝒏 x 𝒉𝒏 /1/
H = Entalpiteten för legeringen (kWh/ton)
𝑎1 = Viktsandel av legeringsämne nummer ett (%) ℎ1 = Entalpitet för legeringsämne nummer ett (kWh/ton) 𝑎𝑛 = Viktsandel av legeringsämne nummer n (%)
ℎ𝑛 = Entalpitet för legeringsämne nummer n (kWh/ton)
Exempel: G20Mn5 med smälttemperatur 1600 °C analysen:
0,2% C 0,4% Si 1,4% Mn 0,5% Ni rest Fe vid
0,002 ∙ 750 + 0,004 ∙ 880 + 0,014 ∙ 405 + ∙ 0,005 ∙ 345 + 0,975 ∙ 380 ≈ 380 kWh/ton
Som framgår så är sista faktorn klart störst varför det ofta räcker med att använda värdena på järn när energiförbrukning teoretiskt anges.
Följande tabeller ger några värden för ungefärlig energiförbrukning som det teore- tisk krävs för att uppnå angivna temperaturer.
Tabell 1 visar den teoretiska energimängden som krävs för att värme upp några legeringar till önskad temperatur och Tabell 2 visar samma legeringar men med olika verkningsgrader av tillförd energi. Här är värdena omräknade till kWh/ton.
Tabell 1 Energiförbrukning för att uppnå temperaturer hos några vanliga stållegeringar
Lik-
vidus
Kemisk sammansättning
%
kWh/ton, vid temperatur,
°C
~°C C Si Mn Cr Ni Mo 1000 1500 1550 1600 1650
G20Mn5 1500 0,2 0,4 1,4 0,5 186 287 369 381 392
GX5CrNi19-10 1450 0,05 1,1 1,1 19 10 178 290 351 362 373
GX2NiCrMoN25-20-5 1400 0,02 0,6 0,6 20 25 5 186 284 330 341 351
Med en verkningsgrad mellan 45% och 80% vid smältning av stålgjutgods skulle det innebära en förbrukning enligt följande
Tabell 2 Energiförbrukning vid olika verkningsgrader för att uppnå temperatur
kWh/ton vid olika verkningsgrader och smälttemperatur
1500 °C 1600 °C 1700 °C
Material nr 45% 65% 80% 45% 65% 80% 45% 65% 80%
G20Mn5 1.6220 638 441 359 847 587 477 897 621 505
GX5CrNi19-10 1.4308 645 446 363 805 558 453 854 591 480
GX2NiCrMoN25-20-5 1.4416 632 438 356 758 525 426 804 557 452
4.2.2 Likvidus- och solidustemperaturer
Stålindustrin har arbetat med att vara så nära likvidustemperaturer som möjligt in avgjutning påbörjas för att minska på tillförd energi. Genom forskningsresultat och mätningar i stålverken har man sammanställt likvidus- och solidustemperaturen för en lång rad stållegeringar [10], [12].
Stål är en övergripande benämning på järn legerat med kol och upp till 20 olika grundämnen med specificerat innehåll. Gjutstålen tillhör gruppen järn-kollege- ringar där även gjutjärn och de s.k. superlegeringar ingår. Stålen delas in i två grup- per; olegerat och legerat stål som av praktiska skäl i sin tur delas i låglegerat och höglegerat gjutstål. Rostfria stål och superlegeringar ingår i gruppen höglegerat.
• Olegerat stål (>98% Fe)
• Låglegerat eller mikrolegerat stål (2 – 5 % legeringsämnen, resten Fe)
• Höglegerat stål (> 5 % av minst ett eller flera ämnen tillsammans, resten Fe)
• Rostfritt stål (> 12 % Cr och <0,2 % C, plus andra legeringselement)
• Superlegerat material (Ni- och Co- baserat men även Fe-baserat) Störst påverkan på likvidustemperaturen har kolhalten.
Tabell 3Inverkan av kolhalten på likvidustemperaturen vid legering i järn [10],[11],[12]
Kolhalt
%
Likvidustemp.
°C
Kolhalt
%
Likvidustemp.
°C
0,05 1533 0,55 1490
0,10 1528 0,60 1486
0,15 1524 0,65 1483
0,20 1520 0,70 1480
0,25 1515 0,75 1477
0,30 1511 0,80 1473
0,35 1507 0,85 1470
0,40 1502 0,90 1466
0,45 1498 0,95 1463
0,50 1494 1,00 1459
Andra element som påverkar likvidustemperaturen är följande element Tabell 4 Sänkning av likvidustemperaturen för varje procent legerat element [11]
%Si %Mn %Cu %Ni %Mo %V %Cr %(P+S) Gas*
8 °C 5 °C 5 °C 4 °C 2 °C 2 °C 1,5 °C 50 °C 2 °C
*sänkningen är ett fast värde som ett approximerat värde.
4.2.2.1 Olegerat stål
Mer än 98 % är järn och kolhalten är det viktigaste ämne i olegerat stål och varierar oftast mellan 0,1 till 0,7 % och påverkar den gjutna strukturen och de mekaniska egenskaperna.
Därutöver tillkommer några få tiondelar av kisel (Si) och mangan (Mn). Ibland fö- rekommer även aluminium (Al) på bekostnad av kisel (Si). Aluminium har då an- vänts som desoxidationsmedel för att ta bort syre (O) ur smältan innan avgjutning.
För de olegerade stålen är det kolhalten som styr beteendet vid stelningen och på- verkar vid vilken temperatur som stelningen påbörjas, likvidustemperaturen, medan allt stelnat, solidustemperaturen, även påverkas kraftigt av svalningshastigheten [°C/s], Figur 6
Figur 6 Likvidus och solidus för olegerat stål, omarbetat från,[10], [11], [12]
4.2.2.2 Låglegerat stål
Innehåller ofta samma mängder av C, Si och Mn som olegerat gjutstål men har tillsatser av krom (Cr), nickel (Ni), molybden (Mo), volfram (W), niob (Nb) och ibland även bor (B). Dessa element håller sig vanligen under sammanlagt 5 % av materialets sammansättning. Resten är Fe. Vid gjutning av dessa stål har även sval- ningshastigheten inverkan på solidustemperaturen.
Figur 7 Likvidus och solidus för låglegerade stål, omarbetat från [10], [11], [12]
4.2.2.3 Höglegerat stål
Höglegerat stål har minst ett legeringselement som överstiger 5 %. Specialvarianter är till exempel manganstål med minst 10 % Mn och de rostfria stålen där kromhal- ten överstiger 12 %.
Sammansättningen hos de höglegerade stålen är anpassade till de användningsom- råden som de skall arbeta i och klassas enligt;
• varmhållfasta,
• korrosionsbeständiga
• syrabeständiga.
Detta är egenskaperna hos de rostfria stålen som får egenskaperna genom att variera halterna av olika huvudlegeringsämnen som Cr, Ni, Mo tillsammans med en rad ämnen i lägre halter. De rostfria stål delas även in i fem grupper efter vilken struktur materialet har och klassa då enligt;
• Austenitiskt
o 12–30 % Cr och 7–30 % Ni, ibland 2–3 % Mo, max 0,05 % C
• Ferritiskt och ferritiskt-martensitisk
o 12–30 % Cr med lite Mo, Nb, Ti och max 0,1 % C, inget Ni
• Martensitisk och urskiljningshärdat
o 12–18 % Cr, mindre mängder av andra ämnen, 0,1–0,3 % C
• Austenitiskt-ferritiskt (Duplex)
o <29 % Cr, 5–8 % Ni, 1–4 % Mo, 0,4 % N, <0,03 % C
Temperaturkurvorna för likvidus och solidus är inte lika enkla att beskriva i dia- gramform för de rostfria stålen. I stället används Cr- och Ni-ekvivalenterna:
Crekv = Cr + 1,37Mo + 1,5Si + 2Nb + 3Ti Niekv = Ni +0,31Mn + 22C + 14,2N + 1Cu
Figur 8 Likvidus och solidus för rostfria och värmebeständiga stål, omarbetat från [10]
Här är det en legering som faller utanför ramen, vid Crekv + Niekv = 35 är det stålet GX4CrNiMoN26-5-2 som har högre likvidus och solidus än alla övriga rostfria stål i diagrammet. Data har omarbetats från A guide to the solidification of steels [10]
4.3 Minskning av energiförbrukningen
4.3.1 Stålverkens minskning av energiförbrukning vid smältning
Stålindustrin har arbetat mycket med att sänka sin energiförbrukning per ton till- verkat stål och lyckats ganska väl som framgår av Figur 9. Under den utvecklingen har även produktiviteten förbättrats avsevärt. Det har framförallt varit elektrisk energi man vill spara på som används i stora mängder vid smältning i ljusbågsugnar och vid efterföljande skänkmetallurgi.
Figur 9 Elektrisk energi- och grafitelektrodförbrukning hos förbrukning LB-ugnar, omar- betad från [14]
Teoretiskt krävs det 450 kWh/ton att smälta stål så sänkningen av förbrukad elekt- risk energi per ton tillverkat stål i ljusbågsugnen har uppnåtts genom att tillföra råjärn i form av tackor eller pellets till smältan för att därefter blåsa med syrgas och använda oxy-fuelbrännare. Energitillskottet kommer genom reaktionen:
C + O = CO 110 kJ/mol ~3900 kJ/kg
CO + O CO2 393 kJ/mol ~8900 kJ/kg
Det ger ökad slitage på infodringen i materialet men det har man löst genom att ha stora vattenkylda paneler ovanför smältan och använda så kallad skummande slagg[15] Vid stålframställningen av låglegerat stål via stränggjutning så arbetar man efter att ha så låg temperatur som möjligt innan det gjuts i kokillen. Ett exempel på hur man räknar baklänges för att få lämplig tapptemperatur är hämtat från [11]
Bestämma likvidustemperaturen X, + 10 °C i gjutlådan, + 30 °C hängande i tornet,
+ 50 °C i skänk innan TN-behandlingen, + 10°C i skänk vid ljusbågsugnen + 30 °C i ugn före tappning,
det vill säga att tapptemperaturen är 130 °C högre än likvidus. Varje punkt är dess- utom en kontrollstation för att temperaturen inte blir fel innan smältan nå kokillen i stränggjutningsmaskinen för slabs. För billets är det 50 °C högre tapptemperatur.
Dessa temperaturer tas intermittent men det finns flera exempel på användning av kontinuerliga mätningar under tillverkningsprocessen [16], [17], [18], [19], [20].
Redan under 1960-talet påbörjade man försök med kontinuerliga temperaturmät- ningar i Ljusbågsugnar [21]
Figur 10 ritning på kontinuerlig temperaturmätning i gjutlåda, patentansökan [16]
4.3.2 Minskad energiförbrukning i stålgjuteriet
Den globala trenden idag är att öka andelen förnybar energi och därigenom minska andelen energi från fossila källor. Överlag måste industrin minska sina energibe- hov, det ger stora framtida energiutmatningar. Industrier med stort energibehov måste se över sina processer och hitta innovativa lösningar på hur processen kan optimeras utifrån ett energiperspektiv.
Gjutning är en mycket viktig tillverkningsprocess men kräver dock mycket energi då materialet måste smältas innan gjutning. Det är nödvändigt och en överlevnads- fråga att industrin satsar på åtgärder för att minska energianvändningen samt sänka energikostnaderna utan att avvika från de kvalitetskrav som ställs på de gjutna kom- ponenterna. Ökat utbyte av materialflödet är en väg som genomförts sedan början av 1980-talet. Gjutna stålkomponenter anses generellt ha ett något sämre utbyte jämfört med andra gjutna material [22].
Det är i samband med avgjutningen som de största utbytesförlusterna uppstår på grund av utformningen på gjutformarna. Det som påverkar hur mycket smält metall som krävs för att tillverka en gjuten produkt är förutom volymen på komponenten också volymen på det ingjut- och matarsystemen som behövs.
Under 2013 var medelutbytet i Sverige för stålgjutgods strax över 50 %, men lägre än 40 % i utbyte är inte ovanligt då överdimensionerade ingjutssystem samt att för stora matare ofta används. Konsekvensen av detta är att mycket energi går åt i hela processen utan att tillföra produkten någon extra nytta. För att Sverige fortsatt skall kunna vara konkurrenskraftigt är det vitalt att kontinuerligt utveckla processer och material mot en total minskning av energin.
I rapporten “Foundrybench D19: Good practice guide on energy saving potentials and opportunities for foundries” [23] presenteras en kartläggning vad beträffar energieffektivisering för gjuterier i Europa. Största delen av energianvändningen i ett stålgjuteri ligger idag i produktionsprocesserna, då framförallt under
smältningen av materialet, varmhållning av det smälta materialet, under gjutningen samt värmebehandlingen. En total energireduktion åstadkommas genom främst tre olika angreppssätt.
• Mindre energikrävande ugnar för att smälta stålet samt bättre varmhåll- ningsugnar.
• Bättre hantering av skänkar för smältatransporter.
• Utbyteshöjande åtgärder genom optimering av ingjutssystem, matare och komponentoptimering.
Att byta ugnar är en dyr investering, vilket ofta också kräver ombyggnation och anses inte som trolig förrän de befintliga ugnarna har tjänat ut. Även bättre hante- ring av skänkar och smältatransporter kräver dyra investeringar. Utbyteshöjande åtgärder anses vara betydligt mer attraktivt för gjuterierna då det endast kräver ett förändringsarbete för att implementera en ny utvecklingsmetodik för dimensioner- ing av ingjutssystem och matare samt att topologioptimering introduceras för kom- ponentoptimering på konstruktionsstadiet.
Det är väl känt att det som påverkar hur mycket smält metall som krävs för att till- verka en gjuten produkt är förutom volymen på komponenten också volymen på det ingjut- och matarsystem som behövs för att producera den gjutna komponenten.
Generellt inom gjuteribranschen finns det ”gamla sanningar” som måste ifrågasät- tas för att denna implementering skall bli möjlig. Gjuterier tenderar att ”göra som man alltid gjort” och inte snabbt implementera ny teknik och metodiker.
Största delen av energianvändningen för framställning av gjutgods sker vid smält- ningen. Det är i samband med avgjutningen som skillnader i utbytet avgör hur mycket som måste skickas tillbaka för omsmältning eller i sämsta fall transporteras till en separat anläggning för omsmältning. Det som påverkar hur mycket smält metall som krävs för att tillverka en gjuten komponent är förutom volymen även mängden material i ingjuts- och matarsystemet. Figur 11 beskriver materialflödet i ett typiskt stålgjutgodsgjuteri.
Energiförlusterna vid smältning är beroende av typ av smältugn och resa (ålder).
En verkningsgrad för utnyttjad energi vid smältningen är 45 - 80%, d.v.s. att 55 - 20% försvinner som förluster till omgivningen [24], [25], [26], [27], [28], [29].
En del återvinns dock genom att kylvattnet till ugnen via värmeväxlare värmer upp lokaler eller varmvatten.
Figur 11 Materialbalans från råvara till levererat godkänt gjutgods
Även för gjuterier börjar det förekomma tankar på kontinuerlig temperaturövervak- ning och ett exempel visar hur man fångar upp gasen i en termopump från smältning i induktionsugn och mäter temperaturen i gasen som sedan kalibreras mot verklig temperatur i smältan.
Figur 12 schematisk beskrivning av termopump och som temperaturmätare vid ugn [19]
Figur 13 kalibreringskurva för mätning med termopump i figur 12 [19]
Gjuterierna arbetar ständigt med att öka utbytet hur det kan påverkas av till exempel användning av matarhjälpmedel.
Figur 14 Beteckningar på ingående delar i begreppet utbyte
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑢𝑡𝑏𝑦𝑡𝑒 (𝑇) = 𝐺𝑜𝑑𝑘ä𝑛𝑡 𝑙𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑔𝑗𝑢𝑡𝑔𝑜𝑑𝑠
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 100%
𝐹𝑜𝑟𝑚𝑢𝑡𝑏𝑦𝑡𝑒 (𝐹) = 𝑁𝑒𝑡𝑡𝑜𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑎𝑣 𝑔𝑗𝑢𝑡𝑔𝑜𝑑𝑠 𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚
𝐵𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑎𝑣 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡 𝑔𝑗𝑢𝑡𝑒𝑡 𝑖 𝑓𝑜𝑟𝑚 100%
Totalutbyte är totalt godkänt gjutgodsvikt i förhållande till insatt metalliskt material mätt över en tidsperiod, till exempel ett år. Här avgår kasserade gjutstycken varför detta utbyte alltid är lägre än formutbytet.
Godkänt levererat gjutgods är färdigt ämne innan bearbetning. Detta även om bear- betning förekommer in-house. Om alla gjuterier hade egen bearbetning av sitt utle- vererade gjutgods så skulle det anges i stället.
Formutbyte är förhållandet mellan gjutstyckets godkända leveransvikt och total avgjuten vikt. I Figur 14 så ses det som normalt används för att räkna ut kvoten, där gjutstycket står över bråkstrecket och resten summeras under.
Nettovikt av gjutet ämne är efter avlägsnade av ingjutssystem och matare. Förluster här är det som försvinner via kapskiva eller skärbrännare. Ytterligare förluster som dock återgår till ny smältning är rester i skänken som inte gjuts i form utan hälls i särskild form (spillgrop). Skillnaden mellan dessa två kvoter är kassation, materi- alspill, återhällning av smälta till ugnen.
En viktig parameter att ha med vid framställning av stålgjutgods är att stelnings- krympningen varierar för olika sorters legering då det ligger i spannet 6 till 11%
vilket påverkar utbytet. Mycket har gjorts inom stålindustrin för att förutsäga stel- ningskrympningen då den har stor inverkan vid framställning av göt för vidare vals- ning. Under den tid som smältan avger värme från avgjutningstemperaturen till lik- vidustemperaturen, har det genom undersökningar visats att volymförändringen är 0,0022 cm3/g för varje 100 grader över likvidus för ett stål med kolhalten 0,35%.
Uttrycks detta i volymprocent i förhållande till volymen vid 25°C fås en krympning på 1,6% per 100°C. I Figur 15 visas de uppmätta data för kolstålet med 0,35% C.
Figur 15 Volymförändring under stelnandet av ett kolstål (0,35 %C) [30]
För vanliga kolstål är smältans volymförändring krympning 1,5 till 1,75% per 100°C i förhållande till rumstemperatur.
Ett stål med kolhalten 0,35% har en volymförändring under stelnandet med 3% i förhållande till rumstemperatur. Ändringen i volym för ett rent järn är 2,2% under stelningskrympningen, medan den är ca 1% för ett järn med 1% C.
Figur 16 Ändringar av specifika volymen vid 1600 °C för olika legeringselement [30]
Utbytet kan påverkas med hjälp av matarhjälpmedel. Om man i Figur 17 önskar en stelningstid på mataren av 1890 sekunder (volym = 4,9 dm3) så kan mataren mins- kas till 180 x180 mm (volym = 2,55 dm3) med matarhjälpmedel med bibehållen stelningstid.
Figur 17 Stelningstiden för en cylinder Ø250×250 gjuten i kolstål för olika typer av om- kringliggande material. [31].
Med detta som utgångspunkt har följande beräkningar av skillnaden mellan en så kallad naturmatare (endast omgiven av sandform) och en exotermisk matarhylsa gjorts. Kurvorna i diagrammet anges för uppskattad förbrukning av energi för att framställa en smälta. Kurvan 900 kWh/ton har lagts med då det i en del fall inte är möjligt att avlägsna mataren förrän efter värmebehandlingen.
Man läser av den geometriska modulen, ett mått på volym delat med kylande yta ofta angivet i cm och får besparingen av energi på y-axeln.
Figur 18 Besparing/kg smält stål i matarna vid olika energiförbrukning, toppmatare
Figur 19 Besparing/kg smält stål i matarna vid olika energiförbrukning, sidomatare
Figur 20 Besparing/kg smält stål i matarna vid olika energiförbrukning, öppna matare
I den senare bilden förutsätts det att överytan är täckt med ett bra pulver eller täck- platta så att värmeutstrålningen är minimal. Hur mycket det påverkar framgår av Figur 17. Matarhylsorna är en vidareutveckling av 1950-talets isolering av sjunk- boxar för götgjutning i kokill.
Det är energibesparingen i gjuteriet men vid en livscykelanalys så måste även ener- giförbrukningen på ca 1275 kWh/ton för att framställa matarhylsorna tas med i be- räkningen. Densiteten för dessa hylsor ligger på 600 till 750 kg/m3 vilket är ca 10%
av densiteten för stålgjutgodset. Sedan finns det matarhylsor med upp till tredubbla densiteten och med ungefär samma energiförbrukning för att framställa ett ton.
Vill man räkna en global energibesparing så måste även transporten av matarhyl- sorna från producent till gjuteri räknas in.
4.4 Minskning eller eliminering av koldioxidutsläpp.
Under första steget i stålframställningsprocessen, i masugnen, är utsläppen av CO2 enorma och står för en mycket stor del av alla utsläpp. Inte så märkligt då processen bygger på att tillföra koks som bränsle vilken vid reaktion med syre genererar värme. Järn och stålframställningsprocesserna uppvisar principiellt sett inga väsent- liga olikheter. Man kan betrakta följande reaktioner [32]:
Kallas för Var sker reaktionen Ckoks + FeO(s) = Fe(s) + CO Reduktion Masugnsschaktet Ckoks + FeO(l) = Fe(l) + CO Reduktion Masugnsrasten C + FeO(s) = Fe(l) + CO Oxidation Färsk malm
C + ½O(g) = CO Oxidation Syrgasprocesser
C + O = CO Oxidation Kok i stålprocesser
Som synes·är reaktionerna nästan monotont likadana och ändå beskriver de så olika processer. Det väsentliga är att i reduktionsprocesserna är kolet i överskott och i oxidationsprocesserna är syret i överskott. CO reagerar sedan med CO2 och alstrar mer värme och utsläpp.
Utsläppen av växthusgaser globalt kommer från industrin med ca 33%, byggnads- och anläggningsindustrin med ca 24%, transporter ca 18% och jord- och skogsbruk med ca 17% [33]. Största utsläppen av CO2 står stålindustrin tätt följt av kemi och plastindustrin med cementindustrin på tredjeplats. Dessa tre står för ca 55% av alla industriutsläpp av växthusgaser globalt [33]. Stålindustrin står för ca 7% av CO2 - utsläppen.
När det kommer till svensk industri så står stålindustrin för ca 40% av hela indu- strins CO2 -utsläpp [34]. Detta blir ett problem när målsättningen är att vara CO2 - neutral till 2045. 2016 startade SSAB, LKAB och Vattenfall med förenade krafter HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) – ett initiativ som vill revolutionera stålindustrin [35], [36], [37], [38],[39], [40], [41]. Med HYBRIT- tekniken syftar LKAB och SSAB till att ersätta koks, som behövs för malmbaserad stålframställning, med fossilfri el och vätgas. Se principen i Figur 21.
Det kan i enkelhet betraktas som en vidareutveckling av metoder för direktredukt- ion som funnits sedan 1970-talet men har haft sina begränsningar [42]. Det finns dock flera tekniker som driver på denna utveckling att minska, eliminera eller de- ponera koldioxid från masugnsprocessen [42], [44].
Att tackjärnet i en framtid kommer att ersättas med järnpellets eller järnsvamp utan något eller små mängder av kol i form av tillsatt biokol eller biokoks kan få stor inverkan på efterföljande processteg där kol förbränns med syrgas för att alstra värme. Det kan leda till att processteget med syrgasblåsning kommer att ersättas med smältning i induktionsugnar där utvecklingen går mot stora enheter på upp till 60 tons smältkapacitet [46].
Figur 21 princip av stålframställning med masugn och med HYBRIT [47]
För stålgjuterier och järngjuterier i synnerhet så blir det svårt att framställa gjutgods utan innehåll av kol i skrotet, vilket för att uppnå eliminering av koldioxid måste vara legerat med biokol.
Fortfarande så är det behov av koks eller kol i några processteg men det forskas på hur bio-kol kan användas och vilka konsekvenser det kan få på stålkvaliteten.
Mängden forskningsrapporter är än så länge begränsad men globalt pågår det flera aktiviteter inom området [44], [45]. Användning av bio-kol inom gjuteriindustrin främst för ersättning av koks i kupolugnar har påbörjats och det undersöks hur det ska vara möjligt att ersätta kol som legeringselement. [45]
Ungefär 60% av stålet som framställs i Europa görs via den primära vägen, fram- ställning av råjärn i masugn eller direktreduktion, resten tillverkas via den sekun- dära vägen i ljusbågsugnar eller induktionsugnar [43], [53]. Den primära vägen är den som står för de största utsläppen av växthusgaser där det krävs stora insatser för att reducera CO2 utsläppen.
Sänkning av utsläppen för sekundär stålframställning kan uppnås genom använd- ning av elektricitet som framställts fossilfritt, vilket sker i Sverige, eller genom för- nybar energi. Detta kan i teorin göra framställning i ljusbågsugn eller induktionsugn klimatneutral. Tillsats av kol och kol i skrot och legeringar utgör ca 2% av de direkta
utsläppen [54]. Problemet i sekundärframställningen är den begränsade tillgången av skrot och begränsningen i att framställa alla stållegeringar eller producera till- räckliga mängder.
4.5 Förändrade materialegenskaper
Bilindustrins högsta prioritet är att reducera utsläpp av koldioxid och viktminskning en viktig del i jakten på minskade utsläpp. Användningen av stål med de högsta hållfastheterna är på grund av risken för väteförsprödning (hydrogen embrittlement, HE) begränsade. Detta är bland annat en anledning till branschens tveksamhet inför de nya typerna av stål, de så kallade tredje generationens stål. Det pågår därför forskning för att undersöka hur man kan minska inverkan av vätgas i stål genom att styra processtegen och eller inlegering av vissa grundämnen.
Det är i sig inget nytt med risk för väteförsprödning i stål särskilt de med hög håll- fasthet som utsätts för stora deformationer i kallt tillstånd vid tillverkningen [48]
men risken ökar att även andra stålkvaliteter blir känsliga för vätgas genom de nya framställningsmetoderna av järnsvamp/pellets som från till exempel HYBRIT.
Även om lösligheten av vätgas inte är så stor, under 10 ppm [49] så introduceras vätgas tidigt i det smälta stålet och med högre löslighet upp mot 30 ppm [9].
Figur 22 Löslighet av Nitrogen och Hydrogen i stål vid 1 atm, omarbetad från [9]
Ska man gå till ljusbågsugnen direkt från pelletstillverkningen uppstår svårigheter att justera till exempel kromhalten hos rostfria stållegeringar med längre och mer omfattande procedurer i en ljusbågsugn. Att ta det direkt till en induktionsugn lär inte vara möjligt med mindre skänkmetallurgin skalar upp utrustningarna till högre smält-kapacitet än dagens. En induktionsugn är i princip endast en omsmältnings- maskin för att smälta skrot och lite justeringar med legeringstillsatser.
Smältans viskositet är en parameter som det har arbetats med inom stålindustrin för att förstå och kunna styra frekvens och amplitud i kokillen vid stränggjutningsma- skinen för att undvika sprickor. Dessa data är minst lika viktiga för stålgjutare när tunnare komponenter ska gjutas baserat på utförda stelnings- och flödessimule- ringar. [50].
En kompetensöverföring vad gäller nya höghållfasta rostfria legeringar som har problem vid svetsning då det kan uppstå varmsprickor är något som är gemensamt
för stålgjutgods. Det finns en hel del forskning inom det området som kommer gju- terierna till gagn [51], [52]
4.6 Framtida råvaruresurser
Världens stålproduktion ökade under 2000-talet från 850 Mton till 1800 Mton [53]
Figur 23 Världens stålproduktion 1950 till 2019 [53]
Av detta står Kina för lite över hälften. Flera planer har genomförts i Kina för att förstå hur detta påverkar landets tillväxt. De östra delarna av Kina anses vara i prin- cip utbyggt vad gäller infrastruktur och byggande trots det fortsätter lagerhållning av stål att öka om än i lägre takt än för 10 år sedan [55],[56]. En låg lagerhållning av stål indikerar ett högt utvecklat samhälle och analyser indikerar att behovet av stål kommer att sjunka i de östra regionerna fram till 2050. Behovet av stål kommer att öka i de inre delarna av Kina och senare även längst västerut. Än så länge sker nytillskottet av nytt stål genom framställning av råstål främst från framställning via masugnar men en ökning av stål framställt från skrot ökar och då främst för att minska CO2 utsläppen. Analyserna leder till att man förutser att vid 2050 har Kina uppnått en balans mellan stålprodukter som skrotas och efterfrågan av skrot som råmaterial för smältning av nya stålprodukter. [55], [56].
En undersökning tittade på hur användning av stål relaterade sig till välfärd och undersökte några länders utveckling som framgår av Figur 24 Utvecklingen av stål i användning relaterat till BNP [54], [57].
Figur 24 Utvecklingen av stål i användning relaterat till BNP [54], [57]
Perioden sträcker sig från 1900 till 2000. Den gröna kurvan representerar ett me- delvärde av övriga världens förbrukning av stål. Bedömningen är att vid en förbruk- ning av ca 10 ton per capita planar förbrukningen ut och tillväxten i välfärden mins- kar sitt beroende av ytterligare ökning av tillfört malmbaserat stål. Det antas att ca 75% av alla stålprodukter som hittills tillverkats fortfarande används i samhället och att medellivslängden för alla stålprodukter är mellan 30 och 40 år. [54].
World Steel Association bedömer att stålproduktionen kommer att öka med ca 50%
fram till 2050 [53].
Betraktar man stålkretsloppet i Figur 25 så inser man att om malmbaserade stålpro- dukterminskar så går det går lång tid från dag ett av en stålprodukt till den är tillbaka till omsmältning beroende var stålet används. Fordonsindustrin och vitvaror har ty- piskt 5 till 20 år i kretsloppet innan det blir nytt stålmaterial.
I Sverige har man ökat användningen av skrot som råvara för att tillverka allt mer specialstål vilket nu utgör närmare 60% av stålproduktionen i Sverige. I övriga värl- den är den delen 10 till 15% [54].
Tillgången på skrot för framställning av gjutna komponenter i stål kan bli en brist- vara när malmbaserade stålverk läggs ner till förmån för att baseras på enbart skrot.
Regeringen har i en promemoria om kritiska råvaror (Meddelande om kristiska råvaror, Faktapromemoria 2020/21-FPM52, Regeringskansliet (2020) [59]) uppda- terat en lista med råvaror som blir viktiga vid omställning till klimatsmart produkt- ion. Stålskrot nämns inte direkt utan innefattas i resurser av metall och mineraler för industrier som Regeringen anser att det kan finnas skäl för att stödja för hållbar produktionen och säkerställa implementeringen av strategiska värdekedjor för EU.
Försörjning av metaller och mineral som behövs för en rad innovationer och som krävs för att klara klimatomställningen är ett exempel på ett område där riskerna med ett stort importberoende särskilt bör beaktas [59].
SSAB har påbörjat arbetet med att stänga ner sin malmbaserade produktion av råstål och övergår till att framställa stål enbart baserat på skrot som råvara, vilket ska vara helt implementerat 2027 [38],[41].
Figur 25 Stålkretsloppet, [58]
5 Industrinyttan med projektet
Rapporten har försökt beskriva resultat av kompetensuppbyggnad inom stålindu- strin som är till nytta för stålgjuterierna, försökt beskriva kopplingarna mellan stål- industrin och stålgjuterierna vad gäller teknikutvecklingen och gemensamma pro- blemställningar som förekommer samt beskriva att framställning av stålgjutgods är beroende av att föra över kompentens från stålindustrin för att fortsatt kunna ut- vecklas och uppfylla de krav som framgår av gjuteriagendan för en klimatanpassad industri 2035.
6 Rekommendationer till fortsatt arbete
Det finns fortsatt arbete att utföra forskning och utveckling kring och nedan redovisas de tankar som kom fram på workshop för avancerade produkter.
6.1 Utveckling/ anpassning av nya gjutbara stållegeringar och vitjärn
Finns det möjlighet att anpassa nya stålkvaliteter som idag endast finns för plåt och rör till gjutbara legeringar med bibehållna egenskaper:
• Hyper duplexa rostfria stål med bättre allmänna korrosionsegenskaper
• Hyper duplexa rostfria stål med bättre specifika korrosionsegenskaper (punktkor- rosion)
• Hyper duplexa rostfria stål med högre hållfasthet och bra svetsbarhet.
• Austenitiska Rostfria stål till exempel Sandvik Sanicro 25 => gjutbart?
• Gjutstål för urskiljningshärdning
Viktoptimering, optimerade egenskaper för ändamålet
• Lättviktsstål, Fe-Al-Mn-C - processframtagning för gjutbarhet
• Lättviktsstål, hitta användningsområden inom till exempel fordon (batteripaket)
• Stål med hög hållfasthet/seghet och god svetsbarhet som kan gjutas tunt.
• Ympning av gjutstål för nya unika egenskaper
• Utvärdera 5%-multi-legerat vitjärn (5Cr, 5Mo, 5W, 5V)
• Optimerade värmebehandlingsmetoder för dessa nya material
6.2 Hitta gemensamma framtida trender
Utsläpp av CO2
• Vad gör stålverken för att minska CO2-utsläpp vid sina smältugnar och vid värme- behandlingen
• Kan biokol användas vid gjutstålsframställning Metallurgi
• Finns det FoU gjord för anpassning av HF-ugnen till att bli en raffineringsutrust- ning och inte bara en omsmältningsmaskin
• Hur hanteras den ökade anrikningen av Cu och Ni i återgången av skrot i framtiden
6.3 Omvärld
• Omvärldsbevakning av ovannämnda stålsorter och verifiera att om dessa finns för tillverkning hos stålgjuterier någonstans i världen
kravspecifikation från kunder
• Gjutgodsköpare kan inte sambanden mellan snävare och tuffare krav på kompo- nenten och dens kostnad. Utbildning-/informationsmaterial om hur saker hänger ihop borde tas fram.
Kompetens
• hur ser andra gjuteriers kompetens ut (Europa), vad har de för utrustning som gör att de kanske är mer attraktiva för svenska gjutgodsköpare än en svensk leverantör.
• Gemensamt med stålindustrin så ökar efterfrågan på kompetent personal för att arbeta i gjuteriindustrin. För få är intresserade av att börja/flytta till en mindre ort för att arbeta.
7 Referenser
[1] Materialrevolutionen_nima-sanandaji-2016
[2] Nordisk Famliebok sid 306 (1878), http://runeberg.org/nfab/0161.html [3] Kompetensfärdplan for gruv och stålnationen Sverige (2019)
[4] Reformer för en högskola i världsklass, Svensk Näringslivs skuggutredning 2019
[5] Jernkontorets utbildningspaket för stålindustrin
[6] V.S Lafay, et. al. Foundry of the future: Recommendations to improve Environmental and Energy Concerns in Sand Foundries, AFS Transactions, paper 07-072 (2007)
[7] http://bruksmuseet.se/historia/ar-2015-ar-det-100-ar-sedan-vastanfors-hytta- blastes-ned-och-odelades/
[8] David Hrabina, Petr Filip, Advances in the Pouring of Steel Castings with a Shrouded Metal Stream, Foundry Practice 267.
[9] Christian Jörgensen, Ingegerd Thorngren, Thermodynamic Tables for Process Metallurgits, Almqvistm& Wiksell Förlag AB (1969)
[10] A Guide to the solidification of steels, Jernkontoret (1977)
[11] J.T. Jensen, S. Farre, Bestemmelse af støbetemperaturen for strengstøbning, Det Danske Stålvalsevœrk, (1979)
[12] Liquidus Temperatures for Steels to B.S. 3100 and B.S. 1504, Steel Castings Research and Trade association (1973)
[13] W. J. Jacksson, M. W. Hubbard Steelmaking for steelfoundries (1979) [14] M. Gojić, Current state and development of steelmaking processes,
Metalurgija 3 (2004)
[15] https://www.energihandbok.se/
[16] US20080205480 A1 Aug. 28, 2008 patent
[17] Masato SUGIURA, Development of New Technique for Continuous Molten Steel Temperature Measurement, NIPPON STEEL Tech. Report - 89 (2004) [18] http://www.tyk.co.jp/en/02ProductInfoEN/product02-03/details01.html [19] Yuan, F. Mucciardi1, and F. Bazdidi-Tehrani, A sensor for continous
temperature measurement in steelmaking environments
[20] ZU Ling, MENG Hong, XIE Zhi, A Compensation Model of Continuous Temperature Measurement for Molten Steel in Tundish, Journal of Iron and Steel Research International, vol 19 (2012)
[21] John D. Sharp, Continuous Temperature Measurement of Molten Steel- A Progress Report on a Current Development, Platinum Metals Rev.,7 (1963) [22] Sten Farre, Utbytesförhöjande åtgärder i gjuterier, Gjuteriföreningsskrift
821015 (1982)
[23] Foundrybench D19: Good practice guide on energy saving potentials and opportunities for foundries (2011)
[24] S. Biswas, K.D. Peaslee, S. Lekakh, Increasing Melting Energy Efficiency in Steel Foundries, AFS Transactions, paper 12-040 (2012)
[25] S. Karsay, Ductile Iron I – Production, State of the art, Fer et Titane (1992) [26] M. Rische, E. Doetsch, Höhere Wirtschaftlichkeit im Schmeltzbetrieb durch
modern Induktionsofenstechnolgie, Giesserei-Praxis 6 (2013)
[27] Anders Svensson, Per Sommarin, J. Bloom, R. Lisell. Energieffektiv smältning, Swerea SWECAST Rapport nr 2012-010, (2012)
[28] Richard Källbom, Energieffektiv smältning av järn i induktionsugn, Gjuteriföreningsskrift 021114 (2002)
[29] J. F. Schifo, J.T. Radia, Theoretical/Best Practice Energy Use In Metalcasting Operations, U.S. Department of Energy Industrial Technologies Program, May (2004)
[30] S. Benedicks, N. Ericsson, G. Ericsson, Bestämning av specifika volymer för järn, nickel och järnlegeringar i smält tillstånd, Jernkontorets Annaler (1929).
[31] Sten Farre, Matarberäkning av stålgjutgods, Gjutgodssymposium (1988) [32] L-O Hagman, Stålframställning, lärobok Bergsskolan i Filipstad (1977) [33] Jeffrey Rissman, et.al. Technologies and policies to decarbonize global
industry: Review and assessment of mitigation drivers through 2070, Applied Energy Volume 266 (2020)
[34] Alla Toktarova, et.al. Pathways for Low-Carbon Transition of Steel Industry – A Swedish Case Study, Energies 2020, 13, doi:10.3390/en31153840.
[35] https://www.hybritdevelopment.se/vad-ar-hybrit [36] HYBRIT brochure (2018)
[37] LKAB, Historisk omställningsplan, Presskonferens 2020-11-23.
[38] SSAB årsredovisning 2019
[39] https://www.lkab.com/sv/om-lkab/teknik-och-
processutveckling/forskningssamarbeten/hybrit--for-fossilfritt-stal/
[40] ”Den största insats vi i Sverige kan göra för klimatet”, https://www.lkab.com/sv/nyhetsrum/pressmeddelanden/historisk-
omstallningsplan-for-lkab-den-storsta-insats-vi-i-sverige-kan-gora-for- klimatet/?aid=16447
[41] https://www.ssab.se/ssab-koncern/hallbarhet/hallbar-
verksamhet/hybrit??utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaig n=communications_hybrit&utm_content=sem_dpt&gclid=Cj0KCQiArvX_
BRCyARIsAKsnTxMqTS9SaYQ7ga__QsnR0ULMvA53fCnOoDzSnpEtIe CBImbZJs07k60aAlVBEALw_wcB
[42] Ali Hasanbeigi, Marlene Arens, Lynn Price Emerging Energy-efficiency and Carbon Dioxide Emissions-reduction Technologies for the Iron and Steel Industry (2013)
[43] Roland Berger Future of steelmaking in Europe
[44] Hana Mandova, et.al. Achieving carbon-neutral iron and steelmaking in Europe through the deployment of bioenergy with carbon capture and storage, Journal of Cleaner Production 218 (2019)
[45] Elsayed Mousa, et- al. Potentiel for Developing Biocarbon Briquettes for Foundry Industry, Applied. Science. 2019, 9, 5288; doi:10.3390/app9245288 [46] The world s largest coreless induction furnace – ABP Induction,
www.abpinduction.com
[47] https://news.cision.com/se/ssab/i/hybrit-illustration-1-310118,c2334243 [48] Sten Farre, Faktorer som påvirker revner i HT-stål, Det Danske Stålvalse-
vœrk, januar (1980)
[49] 2012-0018 Åsa Lauenstein, Gasinnehåll och renhet i stål
[50] M. Korolczuk-Hejnak, P. Migas, W. Ślęzak, Determination of the liquid steel viscosity curves using a high temperature rheometer, 1st International Con- ference on Rheology and Modeling of Materials (2015)
[51] V SHANKAR, et.al. Solidification cracking in austenitic stainless steel welds, Sādhanā Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August (2003)
[52] Zhiping Lin, et.al. Prediction of Hot tear defectas in steel castings, Modelling of Castings, Welding and Advanced Processes, The Minerals, Metals and Materials Society (2009)
[53] World Steel in Figures, World Steel Association 2019
[54] Klimatfardplan – För en fossilfri och konkurrenskraftig stålindustri i Sverige (2018)
[55] Lulu Song, et.al, Mapping provincial steel stocks and flows in China: 1978–
2050, Journal of Cleaner Production 262 (2020
[56] Lulu Song, et.al. Regional disparities in decoupling economic growth and steel stocks-40 years in China-2020, Journal of Environmental Management 271 (2020)
[57] Daniel B. Müller, Tao Wang, Benjamin Duval, Patterns of Iron Use in Societal Evolution, Environmental Science & technology vol 45 (2011) [58] Jernkontorets forskning D_850 Stålkretsloppet Faktabok
[59] Meddelande om kristiska råvaror, Faktapromemoria 2020/21-FPM52, Regeringskansliet (2020)
Bilaga 1 Kort historik - från stål till stålgjutgods
Järn skiljer sig markant från ädelmetallerna genom att de skrivna vittnesbörden från gammal tid är få men järn har varit känt i ca 5300 år. Det finns fynd från gravar i Egypten där knivar av järn med hög nickelhalt har påträffats. För att få ett begrepp om stålframställningen och tillverkningen av gjutstål måste vi börja med järn även om stål som material betraktat nog har funnits på ytan av de järnföremål som fram- ställts.
Det är normalt att ett material med lite kol, kisel och mangan kallas för järn istället för stål, jämför med armeringsjärn. Det kan leda till begreppsförvirring när man läser gamla dokument om järnframställning när det själva verket kan ha varit en beskrivning av stål. Ämnen i stål har principiellt tillverkats från ca 300 år före vår tideräkning där indiskt stål, kallat wutz, tillverkades i en degel med en blandning av rent järn och tackjärn [1]. Wutz eller Wootz är ett indiskt ord för stål [2]. Kol diffunderar från tackjärnet och ökar kolhalten i det rena järnet till några tiondelar.
Ett sådant speciellt material är Wootz-stålet som utvecklades i Indien. Det högkol- haltiga materialet framställdes genom en blandning av kolpulver och järnmalm och smältes i en degel. Första indikationer om detta är ca 3500 år gammalt. Järn på Sanskrit är ayas, ordet som leder till iron, Eisen och järn. [1], [2]. Det är dock först ca 300 år före vår tideräkning som det finns påtagliga bevis för att man framställt detta stål. Mycket av materialet exporterades till Damaskus där man framställde knivar och svärd i det så omtalade Damascenerstålet.
Järn legerat med kol (stål) som handelsvara torde först ha uppkommit under senare delen av 1700-talet även om det under mitten av 1700-talet, då urmakaren Benjamin Huntsman i Doncaster tillskriver sig själv äran av att lyckas framställa flytande stål i degel, som betraktas som genombrottet för framställning av stål [3]. Han hade upptäckt att om han smälte råjärnet i en degel tillsammans med flussande ämnen kunde få fram ett renare, mjukare och starkare material. Degelstålet med mycket bättre kvalitet än tidigare hade sett dagens ljus men det var dyrt. Det smälta stålet gjöts till stänger som sedan hamrades ut till önskvärda produkter.
1786 utgav Bertollet, Vandermonde och Monge en publikation genom den franska vetenskapsakademin, som anses vara en milsten inom den metallurgiska litteraturen [1]. G Monge var grundaren av École polytechnique. Det konstaterades att rent järn som ”förorenats” med små mängder av kol i varierande mängd gav olika egen- skaper liksom de konstaterade att om en tackjärnssmälta stelnar olika fort så får brottytor en grå nyans vid långsamt stelnande och en vit nyans vid snabbt stelnade.
Vid den här tiden var Sverige ett av föregångsländerna vad gällde forskning inom järnhanteringen och många nya metoder kom att utvecklas eller förbättras i Sverige under följande 200 åren. Men Sverige är även rikt representerat när det gäller upp- täckter av grundämnen, nämligen 19, de flesta upptäckta på 1800-talet. De flesta känner nog till Carl Wilhelm Scheele, apotekaren som står som en av upptäckarna till syre och kväve men det finns andra viktiga grundämnen för stålframställning upptäckta av svenskar nämligen: Mangan, Kobolt, Kisel, Nickel, Molybden och Vanadin [1], [4].
Vid slutet av 1700-talet är det än så länge i form av stänger som stålet framställs medan flytande stål för framställning av göt påbörjas i början av 1800-talet. Pro- blem finns med att få stålet tillräckligt flytande och det är först under 1850-talet som Henry Bessemer får äran av att ståltillverkningen tog fart med gjutning av äm- nen för valsning och smidning, götgjutning. Bessemerprocessen (patent 1855). [1]
