tentaplugg.nu av studenter för studenter

Transkript

1 tentaplugg.nu av studenter för studenter Kurskod Kursnamn Datum Material Kursexaminator MH1022 Framställningsprocesser av metaller och fiberbaserade material P1 Sammanfattning Pär Jönsson Betygsgränser Tentamenspoäng Övrig kommentar

2 Sammanfattning Framställningsprocesser FIBER Viktigt att förstå hur de olika träsorterna påverkar slutprodukten samt kunna processerna Av Mikael Jungedal Allmänt om ved- och fiberegenskaper Förutom att dela upp veden i barrved (långa trakeidceller) och lövved (stora kärlceller för vattentransport och smala libriformceller som ger styrka) delas de upp i sommarved och vårved. Under t.ex. våren växer träder och det behöver mycket näring, därför kan man se stora hålrum i vårvedsfibrerna. Sommarvedfibrerna har tjocka väggar och ger styrka och seghet. Dessa tillsammans bildar en årsring. Pga. av detta stora hålrum (lumen) hos vårvedsfibrerna kan de kollapsa vid torkning. Detta gör att man får större bindningsyta och sämre ljusspridning. Egenskaperna i fibern kan även variera då vissa torkat under inspänning och andra fritt. Faktorer som påverkar fiberlängden är vedslag (barrved har längre fibrer) och tillväxthastigheten. Ju äldre veden i trädet är desto högre densitet och fiberlängd. Genom att välja ved som ligger längre in på trädet får man högre densitet och längre fibrer = högre rivstyrka och lägre dragstyrka. Ju längre ut man kommer (ungved) desto mer levande celler och mindre extraktiv ämnen. Tall har en väldigt hög koncentration av dessa och är därför inte önskad vid mekanisk massatillverkning. Dessa har även svårare att kollapsa pga. hög andel sommarved. Ligninet fungerar som ett klister i trädet och håller ihop fibrerna i trädet. Cellulosan ger styrka och hemicellulosan, som är något kortare än cellulosan ligger i ytterskiktet. Fördelning: 1/3 av varje. Detta lignin är inte önskat och därför tas detta gärna bort under processen. Man skiljer även mellan drag- (lövträd) och tryckved (barrträd) = tänk en gren som hänger. Då veden ligger undertryck ökar lignin halten och densiteten. Hos dragveden ökar cellulosahalten. Det är viktigt att välja rätt fibrer till rätt tillämpning. Vedsorteringen är alltså väldigt viktig så man kan hålla reda på vilka fibrer man får. Man kan även utnyttja egenskaperna från båda fibrerna genom att använder lager på lager principen. T.ex. Lager 1: en stark kemisk massa i mitten för hög styrka. Lager 2: en billig mekanisk massa för utfyllnad och hög bulk = hög böjstyvhet. Lager 3: en kemisk massa, t.ex. lövvedsulfatmassa för god tryckbarhet. Barkning och flisning Anledningen till att man barkar ett träd är att det finns mycket orenheter i barken, både organiska och oorganiska. Detta skulle kräva otroligt mycket kemikalier att rena ur samt fläcka ner massan. Detta betyder indirekt att ju mer bark man kan få bort desto mindre alkalieförbrukning. Men högre barkningsgrad leder även till högre vedförlust. Ofta kan man lyckas uppnå en barkningsgrad på runt % efter 20 min utan att vedförlusten går över 2 %. Barkningsprocessen kan ske på två sätt: Parallelbarkning (ofta för kemisk): Trummans diameter är mindre än längden på stockarna. Tummelbarkning (ofta mekanisk): Sluten trumma som har högre diameter än stockarna, ger högre barkningsgrad vilket är bra för mekanisk massatillverkning. Genom att sänka fyllnadsgraden kan man åstadkomma att stockarna träffar varandra oftare och öka barkavskiljningshastigheten.

3 Inte helt oväntat är även kvaliteten på stocken/trädet viktigt för barkningshalten och barkningstiden. Ett färskt träd har mycket högre barkningsgrad och låg tid än ett som är fryst. Minnesregel är att ju lättare barken kan lossna från trädet desto högre barkningsgrad. Tall/gran= kort tidsförlopp och björk = långt tidsförlopp. För att reducera temperaturgradienter och kemikaliekoncentrationer i trädet samt få den att passa utrustningen väljer man ofta att flisa. Det gäller att flisen har rätt storlek för att utnyttja önskade egenskaper, man vill ju behålla de långa fibrerna. Denna storlek regleras genom att vinkla knivarna i flismaskinen, även skärhastigheten och vedtemperaturen påverkar. Skulle flisen bli för tjock får man en sämre packningsgrad vid lagring samt att man riskerar att kemikalierna inte kan ta sig lätt i flisen. Därför pressar man de överstora flisbitarna så de lätt kan tränga in (banka på köttbiten). Genom att lagra flisen har man en bra buffert så fabriken alltid kan hålla högt tempo, man åstadkommer även en hartsmognad (går från flytande till fast). Dock riskerar man att viktiga extraktivämnen kan gå förlorade. Dessa förluster kan leda till höga kemikaliekoncentrationer ifall flishögen är för stor. Detta kan undvikas genom att alltid plocka flis underifrån. Flislagring: Lägre hanteringskostnader, snabbare hartsmognad, konstant propagering av olika råvaror underlättas Stocklagring: Billigare utrustning, mindre vedförluster och högre talloljeutbyte. Mekanisk massa, 98 % utbyte Ger en massa med ursprunglig sammansättning i veden; ingen förlust. Pga. kvarvarande lignin gulnar ofta detta under UV-ljus. Fibrerna blir malda vilket trasar sönder dom lite och man får ett väldigt trassligt nätverk. Detta görs genom att flisen pressas genom malskivor där fibrerna skiljs ut från varandra och trasas sönder (raffinering). Gör nätverket väldigt styvt, bra ljusspridning och hög bulk tyvärr sämre styrka. Beroende på vilket tillverkningsmetod man använder kan man variera andel trasiga fibrer. Mekanisk massa är även att föredra om man önskar låga tillverkningskostnader dock gör den låga styrkan att den inte är önskvärd i alla applikationer. Några olika processer: SGW= Stone ground wood, hela stockar trycks mot en roterandeslipsten. TMP= Thermo mechanical pulp, massan tillverkas genom raffinering av förvärmd flis. CTMP= Chemical Mechanical Pulp, desamma som TMP fast flisen även blivit behandlad kemiskt. Denna behandling för att man mjukar upp ligninet och kan får bort det lättare Processen ser kortfattat ut såhär: Veden tvättas, förvärms för att mjuka upp ligninet (här kan man även styra fiberegenskaperna), raffinering (kör flisen mot malskivor av olika tjocklek), sorterar ut dåliga bitar (fines, long fibers etc.), bleker samt förvarar Vid CTMP sker kemisk impregnering innan värmning Kemisk massa, 45 % utbyte Ligninet avlägsnas på kemisk väg men samtidigt får man förluster av hemi och cellulosa. Man får fint material med flexibla oskadade fibrer = starkt papper, hög densitet, flockning (trassel), bra avvattning dock sämre ljusspridning pga. ojämn yta. Då lövvedsulfatfiber används får man korta fibrer (pga. lövved), detta leder i sin tur till mindre flockning, bra formation, hög bulk (= styvhet), luftpermeabillitet och bra ljusspridning dock sämre styrka. Kärlcellerna kan

4 även lossna från ytan. Detta används då en jämn yta är viktigt för bra tryckbarhet. Barrved kan även användas i kemisk massa som en armeringsmassa pga. de långa fibrerna ger malbarhet och rivstyrka. Den kemiska massatillverkningen sker genom ett slutet system. Där elektricitet utvinns och koldioxid släpps ut. Processen ser kortfattat ut såhär: 1. Flisen kokas genom att vitlut tillsätts 2. Massan tvättas så man får bort den bildade svartluten (basiskt) 3. Denna svartlut går sedan in i soda pannan där den renas och aktiva substanser utvinns. 4. Silar ut dålig och smutsig massa 5. Syrgasdelignifiering, tar bort ligning och ökar därmed ljusheten 6. Bleker för att öka ljusheten ännu mera Vid tvättningen tar man tillvara på utlösta vedsubstanser och samlar upp kokkemikalierna, det gör även att vi får en rena slutprodukt vilket i sin tur leder till att vi inte behöver bleka lika hårt. Vi tvättningen passerar massa genom en tvättpress där vatten tas bort. Efter kokprocessen silar bort dåliga och smutsiga partiklar, dessa körs sedan tillbaks till kokeriet och renas på nytt. Vid syrgasdelignifiering får man högre massutbyte och lignin tas bort vilket öka ljusheten. Genom att använda denna process kan man minska materialförlusten i kokningsprocessen. När lignin halten sänks behöver man inte bleka lite kraftigt under blekningsprocessen. Tyvärr kan inte denna process öka ljusheten till mer än 70 %, därför behöver man även bleka massan för att få upp ljusheten. Det är viktigt att inte låta denna processa fortgå under för lång tid för då maximal delignifiering skett fortsätter kolhydratnedbrytningen med samma hastighet (cellulosa bryts ner) detta leder till minskat utbyte. Fördjupning av kokningsprocessen (sulfatkokning): Kokningen sker vid hög temperatur (140 till 170 grader) pga. det höga trycket. De aktiva kemikalierna som används vid reningen är vätesulfidjoner (HS - ) och hydroxidjoner (OH - ). Kokningsprocessen kan antingen ske kontinuerligt eller i en batch (ungefär som en massugn). Ju längre processen fortgår desto mindre lignin men ju längre den fortgår desto mer massa går förlorat Kontinuerligt kokerisystem: Flisen tillsätts i en flisficka. Detta fungerar som en buffert för inmatningssystemet. Här förvärms även flisen och fukt samt luft avlägsnas. Detta passerar sedan genom flismätarskruven som styr flödet av flis. Detta passerar sedan genom lågtrycksskitet där flisen tas från atmosfäriskt tryck till högt tryck (12 bar). Här faller flisen ned och vätska tillsäts, temp = 115. Passerar genom impregneringskärlet (här tillsätts vissa kokkemikalier) och går in i toppen av

5 kokaren. Här tillsätts vitlut och vattenånga och deligninficieringen startar. Flashtanken reglerar flödet av ånga. Passerar sedan igenom blåstanken. Det är troligtvis här tvättningen sker. Man skiljer mellan en två-kärlskokare och en en-kärlskokare. Skillnaden mellan detta är ifall impregneringen av flisen med kokkemikalier sker i ett separat kärl eller i den stora kokaren. Genom att använda en tvåkärlskokare kan man låta kemikalierna tränga in i flisen under längre tid. Kokningen kan även ske genom batchkokning/sekventskokning: Detta fungerar genom att man har ett kärl där de mesta tillsätts. Först börjar man med att evakuera kärlet, sedan sker flisfyllning och impregnering där varma impregneringskemikalierna tillförs underifrån. Direkt efter detta tillsätts vitluten underifrån vilket får temperaturen i kärlet att närma sig kokningstemperaturen. Beroende på hur mycket detta nu måste värmas upp tillsätts varierande mängd ånga. När önskat dilignifieringsgrad är nått tillsätts svala vätskor i botten och svartluten tas bort från toppen och processen stannar. Detta förflyttas sedan till en flash tank och blåses rent (tvättas). Fördjupning i rening av svartlut: Då svartluten utvinns är den väldigt utspädd och därför kör man den igenom en indunstningprocess där svartluten tjockas upp och vattenånga utvinns (det är denna ånga som sedan driver turbiner och generera elektricitet). Den förtjockade svartluten förflyttas nu till soda pannan från ovan. Här sker en oxidation och den faller ner till den syrefattiga miljön där det sker en reduktion. Vi får nu grönlut som förs vidare till kausticeringen. Vid kausticeringsprocess (kalkcykel) får vi vitlut med de aktiva kemikalierna. Det som blir kvar här bränns upp och vi får tillbaks CaO som kan används igen i kausticeringen. Koldioxid släpps ut. Vi har alltså en sluten process där vi på nytt kan utvinna de aktiva kemikalierna som krävs vid kokningen. Fördelar: Förbränning av organiskt material genererar energi, återvinning av kemikalier samt minimering av utsläpp från olika procesströmmar. Nackdelar: Väldigt mycket energi krävs för de olika processerna samt att väldigt mycket koldioxid släpps ut vid de olika stegen (Förbränningen i sodapannan och kalkförbränningen). Papperframställning Papper har tre viktiga uppgifter i samhällssynpunkt: Sprida information (tidningar), skydda (livsmedels varor) samt absorbera (toapapper). Anledningen till att man väljer att använda papper i applikationer är att det produceras från en förnyelsebar råvara. Det produceras med mindre belastning på miljön och har en rimlig produktionskostnad. Egenskaperna hos pappret beror på många olika faktorer: Fiberlängd, fiberväggstjocklek, fiberantal, fiberstyrka, fiberform och andel hemicellulosa (ju mindre desto bättre). Detta kan mätas på olika sätt: Zerospan metoden = mått på fiberstyrka. Densiteten = mått på bindningsstyrkan (komihåg från MEG:n). Dragindex = som vanlig dragprovstyrka, dock är denna normaliserat på ytvikten och inte tjockleken. Rivindex = energin som krävs för att riva isär pappret, beror på bindningsstyrkan, fiberstyrka och fiberlängd. Samt isoljusheten = hur lätt pappret sprider ljus, t.ex. 94 %. Egenskaperna kommer även att variera i olika riktningar pga. olika fiberorienteringar maskinriktning, tvärsriktning m.m. Detta gör att man kan skiten

6 av fiber att lossna från varann i Z-led = delamination. Det är därför väldigt viktiga att få en jämn formation på fibrerna. Man vill inte få koncentrationsskillnader (=densitetskoncentrationer). Dessa kan man se som mörka fläckar på pappret. Två ark med samma ytvikt med olika tjocklek har olika densitet och styvhet. Det mest dominerande fenomenet vid papperstillverkning är fibersuspensionen, förmågan att skapa flockar. Det är även viktigt att lägga på minnet att papper är extremt känsligt för mechanosorptivt kryp. För precis som de flesta polymerer är papper/trä viskoelastiskt. Då luftfuktigheten varierar cyklist accelererar kryphastigheten kraftigt Mäldberedning Vid den kemiska massaprocessen har man fått hela och frilagda fiber. Vid malningen slår man lite på fibrerna vilket gör att man får fler kontaktpunkter (ökar styrkan och ytfinheten). Detta kallas även refining och sker genom att massa får passera genom en roterande disk. Forming Det viktigaste steget från fiber till pappersark. Massan tillsätts till en inloppslåda där den blandas med vatten (2-5 % massa). Detta matas sedan ut i 30m/s ut på en vira (filt) där avvattning sker underifrån med hjälp av vakuumpumpar. Cellulosa fibrerna sjunker då till botten och lägger sig som ett nätverk. För att förbättra avvattningen och mindre tvåsidighet kan man även ha en vira på ovansidan som avvattnar. Man ser även till viran hela tiden vibrerar lite vilket får fibrerna att orientera sig bättre och snabbare Man kan även sammanföra två skikt direkt efter virrningen. Detta gör att man utnyttjar lagerprincipen. Pressning Pappret som passerar ut efter formningsprocessen har hög vattenhalt och genom pressning kan man minska denna mekaniskt. Torkning Eftersom slutprodukten måste ha en låg vattenhalt, ca. 10 % krävs det en lång torkprocess. Detta sker genom att pappret passerar en lång bana där termisk torkning sker. Kalandrering Detta är en slutprocess som används för att förbättra materialstrukturen lokalt. Detta görs genom att man stryker under tryck och trycker ner ojämna fibrer som sticker ut. Ett exempel på produkt där kraftig kalandrering skett är smörpapper. En negativ egenskapsförändring med kalandrering är att man kan få varierande densitet vilket leder till varierande materialegenskaper. Returpapper Pappret som går till retur innehåller fibrer, fyllmedel, bestrykningsmedel (latex), tryckfärg, plast, lim etc. De flesta av dessa är inte önskvärda vid nybildningen. Därför går returpappret igenom diverse steg där dessa orenheter sorteras bort. En av de viktigaste är processen där

7 dåliga fibrer tas bort (efter cirka 5 cykler är fibrerna så dåliga att de inte kan användas), även flotationen är viktigt (är sorteras bläckrester och hydrofoba kemikalier bort). Genom att tillsätta luft i denna process klumpar partiklarna ihop sig och flyter upp till ytan. Det är även viktigt att limrester, såkallade stickies, tas bort så tidigt som möjligt för att minska klibbigheten. Med retur av mekanisk massa ökar styrkeparametrarna för varje cykel, dock minskar bulken. Produkter Säckpapper: Bra töjning och hög porositet (= hög friktion vilket ger bra staplingsegenskaper) Tissue: Hög mjukhet, bra ytjämnhet, goda absorptionsegenskaper, våtstyrka (får förvandlas till en sörja då det blir vått) och torrstyrka Tryckpapper: ytstyrka, brottseghet, opacitet och ytjämnhet

8 Sammanfattning Framställningsprocesser STÅL Viktigt att förstå vad de olika processerna har för funktion och hur de går till Förbehandling av råvaror Vid ståltillverkning kan man antingen starta med malm eller skrot. Vid stålframställning från malm får man upp en mineral som innehåller både önskvärda element (Hematit Fe 2 O 3 och Magnetit Fe 3 O 4 ) och oönskade (tex P och S). Exempel på råvaror som används i masugnen är järnbärare (pellets), koks (förädlad stenkol), slaggbildare, blästerluft samt alternativa bränslen. För att få optimalt flöde i masugnen krävs det att partiklarna som tillsätts lätt kan sjunka ner samt reduceras snabbt. Man utnyttjar därför agglomerering där finkornigt material sammanfogas till små kulor (pellets). Dessa värms sedan upp till 60 grader så vatten kan förångas och kulorna blir spröda. När temperaturen sedan ökas mot 600 grader sker en sintring och oxidering av magnetiten till hematit Fe 2 O 3. Denna är mer önskvärd eftersom den är lättreducerad. Processen avslutas vid 1250 grader eftersom man inte vill få smält slagg runt kulan samt för dålig hållfasthet (om temperaturen är för låg). Fördelar med att använda pellets är att de har små porer där man får bra kontakt yta mellan fast fas och gasfas. Den sfäriska formen gör att de får en bra gasgenomströmning i beskickningen, det är även posetivt att de har högt järninnehåll. Kravet på denna järnbärare som ska användas i masugnen är följande: Järnhalten måste vara hög och jämn Hög hållfasthet Låg fuktighet Stabil storleksfördelning Den måste kunna reduceras lätt (t.ex. Hematit) För att driva reaktionen i masugnen används koks. Detta är stenkol som hettats upp till grader under syreunderskott vilket fått kolpartiklarna att koka samman samt tagit bort vatten och kolväten. Tyvärr finns det kvar väldigt mycket svavel vilket bidrar till förorening av råjärnet. När stenkolet eldas reagerar de med koldioxiden och bildar kolmonoxid vid hög temperatur. Det är denna kolmonoxid som bidrar till reduktionsprocesserna i masugnen. Kravet på kokset är följande: Låg halt av S och P Låg fukthalt Jämna bitar ( genom att använda sig av lagom stora bitar kan annat material lätt passera förbi dessa klumpar vilket gynnar processen) Hög hållfasthet Masugn I masugnen sker alltså den process som får pellets att omvandlas till råjärn. Processen bygger på att järnoxiderna tillsätts från ovan och under ett tidförlopp på några timmar passerar ner genom masugnen och reduceras till råjärn. Samtidigt stiger gas upp från botten inom loppet av en minut och reagerar med nerfallande material. För att få bort föroreningar från råjärnet tillsätts även slaggbildare i toppen t.ex. kalksten. Man brukar dela upp masugnen i tre zoner där temperatur skiljer kraftigt.

9 I masugnens övre zon ligger temperaturen på runt 800 grader genom att varma gaser stiger upp och värmer godsets temp. Här omvandlas kolmonoxiden till koldioxid och rent kol pga. den låga temperaturen. Samtidigt reduceras hematit och magnetit till lägre oxider. I masugnens termiska zon har det fasta materialet ungefär samma temperatur som gastemperaturen ( ). Denna zon tar upp ungefär hälften av masugnens volym. Det är även här som den största andelen reduktion av järnoxid sker enligt: FeO + CO = Fe + CO 2. Den tillsatta blästerluften reagerar även här till vätgas enligt: CO + H 2 O = CO 2 + H 2. I masugnens nedre zon är temperaturen så hög att det sker vissa direktreduktionen enligt Boudouards reak. FeO + C = Fe + CO. Här sker även ett antal andra direktreduktioner som t.ex. SiO 2 reduceras till Si, MnO reduceras till Mn. När kolet förbränns här bildas det hålrum som ofta kallas raceways För att masugnen ska vara en vinstprocess krävs att lagerna/beskickningarna är jämna ner till formnivån, att koksbädden upptar 70 % av total volym samt behåller sin storlek till dess att den förbränts i formnivån. En stor del av reduktionen bör även ske indirekt (se ovan) för uppnå bästa bränsle ekonomi. Koksen skall alltså reagera så sent som möjligt. Genom att man har mycket nedfallande som sjunker under lång tid och gas som stiger under kort tid passerar detta igenom permeabilitetslagrerna och vi får en värmeväxlare samt syreväxlare. Det är även viktigt att infodringarna klara Förbehandling av råjärn Då råjärnet rinner ut ur masugnen har de fortfarande en förhållandevis hög svavel halt (kom i huvudsak från kokset) trots att det skett en lätt svavelrening i masugnen (med slaggbildarna CaO). För att minska denna nivå sker ett separat process steg innan konverteringen. Anledningen till att man väljer att göra en svavelrening är beror på att den låga syrepotentialen i metallen gör reningen tämligen effektiv, jämfört med konvertern. Detta sker genom att man tillsätter ämnen som hellre reagerar med svavel än det syre den är bunden med. Det som styr hur låg svavelhalt man kan få är jämviktsförhållandena. Faktorer som påverkar detta är syreaktiviteten i smältan (bör vara så låg som möjligt = reducerande förhållanden) samt att jämnviktskonstanten för svavelreningsreaktionen är hög. K = (a CaS a O ) / (a CaS a S ) För att processen ska nå jämnviktsförhållandena snabbt utnyttjas kinetiken, alltså mycket omrörning för att få så hög yta som möjligt som ämnena kan reagera med (socker i kaffe principen). Det mest använda ämne för detta är bränd kalk (CaO) eftersom den är billig och väldigt effektiv om omrörningen är god, bäst att tillsätta massa små partiklar av dessa. Andra

10 ämnen som kan användas är Soda (Na 2 CO 3 ) som renare effektiv även fast syreaktiviteten är hög, dock väldigt dyr jämfört med kalk samt Kalciumkarbid (Dyr) och Magnesium (Dyr). Konverter Konverterns huvudsakliga uppgift är att kolfärska, allså rena råjärnet från kol till råstål. Detta sker genom att syre blåses in under extremt hög hastighet och oxiderar med inlöst kol = CO och CO 2, denna gas driver sedan turbiner och genererar energi. Samtidigt kommer Si, Mn, P och en del Fe oxideras tillsammans med andra slaggbildare och bilda en slagg. Injektionen av syre kan ske på två sätt. Antingen använder man en topplans som ligger precis ovanför ytan. Denna blåser syrgas under hög hastighet vilket gör att metalldroppar stänker upp i slaggen, vi får en skummande slagg. Dessa metalldroppar kommer sedan att oxideras och reducera den FeO som finns i slaggen (denna bildades där syret blåstes in). Genom att få mycket bubblor får vi mycket yta som ämnena kan reagera med och reducera kolhalten. Eftersom de flesta av reaktionerna som sker här är exoterma höjs smältans temperatur, detta kan sedan utnyttjas till att smälta skrot. Mot slutet av processen bildas mindre och mindre CO-gas det finns mindre ämnen att reagera med. Detta gör att vi får mindre bubblor och omrörningen minskar och syret börjar reagera med Fe igen = FeO, syrehalten börjar öka. Alltså får inte konvertern köras för länge. Svavelreningen sker genom att S reagera med CaO som finns i slaggen. Man brukar dela upp processen i följande steg: Under inledningsskedet (4-5 min) oxiderar stora mängder Fe, Si och Mn och oxiderna ger en skummande slagg, temperaturen höjs. Efter cirka 15 minuter sätter kolfärskningen igång, då Si försvunnit från badet, och FeO börjar reduceras till Fe. I slutskedet (20 min) har kolhalten blivit så låg att kolfärskningen börjar avta, detta sänker omrörningen och Fe börjar oxidera och lägga sig i slaggen. FeO skummar slaggen så att mer kalk kan lösas in. Man kan även välja att bottenblåsa konvertern. Detta ger upphov till en god omrörning då man hela tiden tillför bubblor till smältan. Problemet är detta är att värmen blir väldigt hög och koncentrerad i botten, sliter mycket. Precis som en toppblåst konverter reagerar syret med kolet, kislet, manganet etc. Man tillsätter även slaggbildare i botten som bildar slaggpartiklar tillsammans med de ämnen som oxiderats. Då FeO slaggpartiklarna stiger i smältan fortsätter de reagera med kolet, kislet, manganet och fosforn vilket ger tillbaks Fe. Dessa reaktioner fortsätter även då man nått toppslaggen. Då man jämför en bottenblåst med den toppblåst ser man att man kan nå lägre FeO halter i slaggen, detta leder i sin tur till att syrehalten i metallbadet blir lägre. För att uppnå maximal effekt bör man använda båda dessa, detta gör att man kan få en god omrörning även i slutskedet av processen då bildningen av CO och CO 2 är låg. Detta görs genom att man blåser syregas från ovan och argongasa i botten för god omrörning. Ger bättre Fe-utbyte, mindre slitage, bättre svavelrening (eftersom en hög FeO halt i slagen inte gynnar svavelrening) samt ökat halt Mn-halt i stålbadet. Viktigt att lägga på minnet att en hög halt av FeO i slaggen gynnar fosforrening tillskillnad från svavelreningen. Ljusbågsugn Ljusbågsugnen används i huvudsak då man framställer stål från skrot. Den vanligaste ljusbågsugnen har tre elektroder av grafit som under extremt hög värme smälter skrotet.

11 Denna extrema värme ( grader i ljusbågen) gör att elektroderna slits och man kan riskera uppkolning av smältan samt slitage av infodringen i väggarna. De kan även riskera att skadas av nedfallande skrot eller oxidera med luften. Precis i ljusbågen är temperaturen så hög att gasen joniseras till plasma. Detta ger bra ledningsförmåga. Allt eftersom skrotet smälter kommer volymen minska. Man får därför tillsätta skrot i 2 omgångar för att nå önskat volym på stålsmältan. Ett stort problem man har i ljusbågsugnen är att man inte får jämn värmefördelning (centrerade elektroder, ger vissa svala områden runt väggarna). Detta problem kan avvärjas genom att tillsätta brännare på dessa cold spots och tillföra cirkulation till smältan. Man kan även riskera explosioner då det tillförda skrotet riskerar att innehålla vatten som omvandlas till H 2 (knallgas). Därför leder man ut den värme som bildas under denna till ugnshallar där skrotet förvärms och vatten/is avdunsar. I ljusbågsprocessen pratar man ofta om något som kallas skummande slag. Det fås genom att kol och syrgas injiceras genom en lans in i slaggen och metallbadet. Slaggen kommer då att jäsa upp och täcka ljusbågarna (skyddar elektroderna så de inte oxiderar). Ju mer skummande slagg som kan skydda elektroderna desto mindre slitage man får även en bättre isolering av den utvecklade värmen från elektroderna som kan användas till smältningen. Detta sker genom att Fe oxidera till FeO och sedan reduceras med kolet till Fe varav CO och CO 2 (ger luftbubblor = volymökning, som skummar slaggen). En skummande slagg kräver en slagg med goda skummningsegenskaper (hög viskositet, låg ytspänning och låg densitet) och tillräckligt högt gasflöde. Nu för tiden görs inte så mycket mer än smältning av skrot i ljusbågsugnen men det går att kolfärska och fosforrena enligt principerna i konvertern samt väte rena då mycket kolmonoxid gas spolar ur vätet. Vi smältning av kromrikt skrot riskerar man att mycket går förlorat till slaggen pga. kromets höga affinitet till syre. Eftersom krom är väldigt dyrt vill man behålla så mycket som möjligt i smältan. Detta görs genom att tillsätta ferrokisel som har högre affinitet, processen sker enligt följande reaktion: (Cr2O3)slagg + 3/2Si = 2Cr + 3/2(SiO2)slagg. Vid tappning från ljusbågsugnen vill man inte få med slaggen och det är därför viktigt att avslutat tappningen i tid eftersom det bildas en virvel mot slutet som kan dra ner slaggpartiklar. Skänkmetallurgi Skänken används som ett separat behandlingssteg för att färdigställa smältan innan gjutningen. Alltså se till att oxidationsnivån, svavelnivån, legeringshalterna och temperaturen är korrekt. Skänken används även som en buffert för att se till att den kontinuerliga gjutningen inte avstannar. Precis som i ljusbågsugnen finns det även här tre elektroder som kan användas för att hålla stålet vid lagom temperatur (de håller alltså en mycket lägre temperatur). Genom diverse omröringar kan man även minska slagginneslutningar i form av oxidiska och sulfidiska samt sänka gasinnehållet (inlösta eller porer, väte, kväve). Omrörning i skänken kan ske genom induktionsomrörare (bra för att få partiklar att agglomerera) och botten blåsning med inert gas (genom att blåsa med argon gas). Nackdelen med att blåsa hårt från botten är att man kan exponera smältan för syret i luften vilket inte alltid är önskvärt genom att ett öga bildas i slaggen. Man kan även riskera att dra ner slaggpartiklar (=inneslutningar vid gjutning). Det är därför viktigt att röra om långsamt med induktionsomröraren efter.

12 Beroende på vilket stålsort man framställer väljer man att spara olika mycket slagg från konvertern. Slaggen innehåller ämnen som kan reduceras vid desoxidationen och öka mängden inneslutningar samt fosfor-halten. Då stålet kommer ut från konvertern är syrehalten oftast för hög vilket kan riskera att bilda gasporer i form av CO-bubblor vid gjutningen. Detta kan man få bort genom att börja med att blåsa smältan med en inert gas t.ex. argon under vakuum. Kolet reagerar då med syret och bildar kolmonoxid. Det vanligaste är dock att använda sig av fällningsoxidation. Detta görs genom att tillsätta ämnen med hög syreaffinitet, t.ex. aluminium eller kisel. Problemet med detta är att dessa bildar oxidiska inneslutningar som måste avskiljas innan gjutning (kommer försvaga stålet avsevärt eftersom de fungerar som sprickinitierare). Genom att röra om smältan med induktionsomrörare börjar de små partiklarna agglomerera och stiga upp till slaggen pga. densitetsskillnader mellan oxiderna och smältan. Desoxidationsprocessen beskrivs enligt följande graf: Genom att styra vilka ämnen man tillsätter först kan man optimera desoxidationen. Al har tex högre syreaffinitet än Si och bör därför gå i sist. Slagginneslutningarna kan som sagt antingen bestå av oxider (Al, Si, Ca som reagerat med syre) eller sulfider (MnS, bildas vid stelning och CaS, bildas vid Ca behandling) och dessa man delar upp i olika klasser beroende på deras egenskaper (A: duktila, B: spröda, C: sprödduktila och D: hårda). Vilka man vill undvika beror på tillämpningen de ska användas till. För god ytfinhet är det t.ex. bättre med duktila inneslutningar. Hårda inneslutningar kan ofta fungera som sprickinitierare och är oftast inte önskvärda. Rening av vätgas och kvävgas Vätgas bildar vid stelning porer pga. minskad löslighet. Detta måste under alla omständigheter undvikas. Kvävet löses in i smältan under den höga temperaturen i ljusbågsugnen och dessa kan bilda oönskade nitrider om det finns starka kvävebindare i smältan t.ex. Ti. Beroende på stålsort kan detta tillåtas. För att få bort detta blåser man hårt under vakuum. Rening av svavel Svavel påverkar stålets hållfasthet negativt och kan leda till segring av S vid stelning vilket innebär att sulfider bildas. Genom att blåsa hårt med argon får en god cirkulation i smältan så att denna träffar på slaggen där kalk (CaO) finns. Denna kommer i sin tur reagera med svavlet och rena smältan. Alltså är det mycket viktigt att ha rätt slagg för reningen av svavel ska vara

13 så effektiv som möjligt. Man kan även tillsätta CaO partiklar tillsammans med argongasen i botten för att öka kinetiken. Rätt legeringshalt på stålet fixeras genom att legeringsämnen tillsätts som klumpar eller via trådmatning. Det är även viktigt att hela tiden gör tester (lollipop) så man vet vilket sammansättning stålet har. Gjutning Vi gjutningen omvandlas inte helt oväntat stålet från flytande fas till fast fas. Det är viktigt att man får goda ytor utan sprickor och porer samt att strukturen är jämn och undviker segring. Fenomen som kan uppkomma vid gjutning är krympning (volymen minskar, kan minskas genom isolerande skit i toppen på stiggjutningen), strömning (densitetsskillnader i stålet gör att man får oönskad och okontrollerad cirkulation i smältan, ger upphov till makrosegring i götet), gasbubblor och slagginneslutningar. Gjutningen kan antingen ske genom götgjutning (stiggjutning) eller kontinuerligt via stränggjutning. Vad man väljer beror på mängd och typ av applikation. Vid götgjutning passerar smältan igenom en gjutgubbe och in underifrån i en kokill där den stelnar. Vid stränggjutning tappas stålet från skänken till en gjutlåda så att kontinuerligt flöde erhållas (buffert). Sedan tappas smältan kontinuerligt nedåt igenom en kokill där ytterskikten börjar stelna och stelningen fortsätter successivt inåt. Man ser även till att kokillen oscillerar så man undviker att smälta fastar och korkar igen. Geometrin på det som gjuts ut i stränggjutningen kan variera (Billets, Blooms, Slab och Rounds ) Smältan kommer som känt att stelna genom ett intervall vilket ger upphov till segring, detta ger varierande legeringshalt. Man kan även få dendriter av olika mängde beroende på kylningshastigheten Ett problem man har vid gjutning är att inneslutningarna jobbar sig uppåt i smältan vid stelning och ansamlas i toppen av strängen/götet. Man kan även få problem med sprickor om man stränggjuter med felaktiga geometrier eller har fel kylbetingelser. Genom att använda sig av induktionsomrörare längsmed strängen kan man minska detta Faktorer som påverkar ämneskvaliteten är gjuthastigheten, kylvattenflödet och nivåerna i gjutlådan och kokillen. Kiselframställning Framställningen av kisel ser ungefär ut som framställningen av stål. Kol och Kiseldioxid får reagera i en ljusbågsugn. Detta kräver otroligt mycket energi då elektroden är två våningar hög. Vid denna process förångas kisel som sedan tas tillbaks och säljs till elektronikindustrin. Processen ger även ferrokisel (30-70% Si). Extremt rent kisel kan användas i Czocharalski gjutningsprocessen där man tillverkar kiselskivor