En sluten tillverkning och användning av stål i samhället

Transkript

1 ÅRSRAPPORT 2005 Vision: En sluten tillverkning och användning av stål i samhället Finansierat av Mistra och industrin

2 Gemensam miljösyn gynnar Sverige Sverige föregångsland Bakom ryggen på Monica Lövström sträcker Stockholms Stadshus sina spretiga kronor mot en gråkall februarihimmel. Mellan oss och stadshuset skvalpar vågorna på Riddarfjärden där det rena vattnet gör Stockholm till en unik huvudstad i världen. Monica är politiskt sakkunnig på miljödepartementet och vi sitter i hennes kontor på miljö- och samhällsbyggnadsdepartementet på Tegelbacken. Monica är stolt över svensk miljöpolitik. Det är ingen tvekan om att Sverige i många stycken räknas som föregångsland när det gäller miljöfrågor. Det är länge sedan det blev självklart med kommunala vattenreningsverk, förbud mot DDT och kvicksilver, lågsvavlig olja, för att ta några exempel. Idag är svensk miljö dessutom en affärsidé. Monica ler nöjt: Svenska företag exporterar miljöteknik, berättar hon. Här i landet har företag utvecklat en rad smarta system för att lösa olika problem. Nu får de nya marknader när allt fler länder väljer en aktivare miljöpolitik för att komma tillrätta med allt från luft- och vattenföroreningar till avfallshantering och källsortering. Värdegemenskap Den svenska miljöpolitiken grundas på en stor värdegemenskap. Tvärs över partigränser och andra grupperingar finns en stark vilja att bevara naturen för kommande generationer. Alla vill kunna bada och fiska, alla vill ha tillgång till naturen. Jag tror att det är därför det varit möjligt att arbeta seriöst med miljöfrågor här i landet, säger Monica. Det gemensamma intresset väger tyngre än alla katastrofrubriker och larmrapporter. Det betyder alltså att det inte enbart är klimatförändringar, giftalger, kvicksilver i fisk som leder till de stora utvecklingsstegen inom miljöpolitiken. Monica Lövström, politiskt sakkunnig inom miljödepartementet Lika viktigt är många människors ambitioner att ständigt försöka göra saker och ting lite bättre. Miljön blir argument Men ekonomin kan väl användas för att driva på förändringarna? - Det är självklart att när oljepriset stiger ökar intresset för att spara energi eller för att välja andra energikällor, konstaterar Monica. Men bilden är mer komplex än så.

3 När miljö blir ett argument i marknadsföringen kan miljöförbättringar räknas hem även utan försök att pressa fram dem med ekonomin som styrmedel. En rad företag inom förpackningsindustrin har sedan många år fungerande system för återvinning av plåt-, plast och pappersförpackningar. Systemet utvecklas och omfattar nu också vitvaror och elektronik. Trots att företagen kommit så långt på det här området har vi problem med att avfallsmängden fortsätter att växa, betonar Monica. Den del som måste deponeras minskar visserligen, men allt mer måste sorteras för att till exempel gå till återvinning. Nära källan Ju mer av detta arbete som kan hanteras nära källan desto mindre frestar det på de allmänna systemen. En stor del av den forskning som uppmuntras genom Mistra har som mål att företag eller branscher själva ska hantera sina problem, förklarar Monica. Det skapar bland annat goda förutsättningar för företagen att koppla projekten till de konsekvenser arbetet kan få på marknaden, alltså hos de kunder som slutligen ska avgöra om det finns något marknadsvärde i det arbete som forskarna utfört. Aktiva miljöval Idag ser Monica tydliga tendenser som bekräftar att många människor aktivt gör val som gynnar miljön. När det är möjligt och ekonomiskt rimligt väljer allt fler de alternativ som är bäst för miljön, konstaterar hon. Om vi samtidigt kan uppmuntra detta med fördelaktiga ekonomiska villkor kan bilden förändras snabbt. Se till exempel på intresset för miljöbilar. Det är lite svårare att diskutera miljöpolitik på lång sikt. Målet är ett uthålligt samhälle, men det är inte helt givet hur vägen dit ska gå. Politiskt är det omöjligt att komma runt att varje generation själv måste få fatta sina beslut om framtiden. Och bilden förändras i takt med att vi utvecklar ny teknik som i många fall bygger på den forskning som sker inom företagen, konstaterar Monica. Innehåll Sida Program 4 Programstyrelsen 5 Att beräkna miljövinster 7 Fragmentering 11 Laseranalys 12 Skrotflöden 13 Ytrening 14 Sida Smältförlopp för ökat metallutbyte 15 Återvinning av slagg 16 Höghållfasta stål-processtyrning 18 Självlegering 19 Konstruktioner 20 Organisation 22 Målstyrning 23

4 Program Denna årsrapport redovisar programmets projekt och de insatser som genomförts under I Stålkretsloppet deltar högskolor, industriforskningsinstitut samt stora delar av stålindustrin, verkstadsindustrin och återvinningsindustrin. Projekten har valts ut med hänsyn till parametrarna ny kunskap, industrivärde och miljövärde. Stålkretsloppet är ett fyraårigt miljöforskningsprogram vars syfte är utveckla säkra, resurssnåla och återvinningsbara produkter var programmets första verksamhetsår. Stålkretsloppet spänner över hela stålets kretslopp. Resultaten skall leda till en mer resurssnål tillverkning av stål, till stål med nya egenskaper som kan medge nya och effektivare konstruktionsmetoder samt en enklare återvinning av använt stål. Stålkretsloppet medverkar till att förverkliga visionen om "En sluten tillverkning och användning av stål i samhället. Det skapar kunskaper om hur vi kan öka utbytet av järn och legeringar och om hur vi kan hålla kvar dem i stålets kretslopp samt om hur man kan minska energianvändning och utsläpp av koldioxid. Stålkretsloppet finansieras av Stiftelsen för miljöstrategisk forskning, Mistra och industrin. Mistras uppgift är att stödja forskningsprogram som söker lösningar på viktiga miljöproblem. Programmet, som genomförs i Jernkontorets regi, har goda förutsättningar att stärka den samlade stålindustrins konkurrenskraft. Programmets budget uppgår till 74 Mkr, varav 42 Mkr från Mistra och 32 Mkr från industrin. Stålkretsloppet skall leda till: - Ökad kännedom om innehåll i skrot genom laseranalys, bättre tekniker för separering och sortering av skrot samt ökad kunskap om skrotflödet i samhället. - Nya metoder för ytrening av skrot i samband med förvärmning av skrot. - Ökat materialutbyte vad gäller metaller och därmed renare slagger i stålindustrins metallurgiska processer. - Effektivare energianvändning vid framställning av nya avancerade höghållfasta stålsorter. - Nya metoder för byggande av lätta stålkonstruktioner med beaktande av ett livscykelperspektiv. - Beslutsmodeller för miljövärderingar där hänsyn tas till såväl miljö och ekonomi som slutkundens preferenser. - Fler forskare med brett miljökunnande både inom forskarsamhälle och industri. 4

5 Programstyrelsen: Våra skäl för att medverka Stena Gotthard AB Stena Gotthard AB har starka och tydliga skäl att delta i programmet. Det är synnerligen naturligt för ett återvinningsföretag att aktivt bidra till forskning för att förbättra stålets kretslopp. Detta är en del av vår affärsstrategi och vision. Vi kan bidra med den kompetens vi redan har samtidigt som vi lär oss mera om stålets kretslopp. Ökad förståelse för och kunskap om stålets kretslopp kan ge oss ytterligare möjligheter att förena kund- och miljönytta med nya affärsmöjligheter. Monica Svenner Verkställande direktör Stena Gotthard AB Volvo Personvagnar Volvo Personvagnar är en stor användare av kvalitetsbestämt stål. Totalt använder vi ton plåt till de ungefär bilar som vi tillverkar varje år. Volvo kännetecknas sedan länge av en tydlig miljöprofil. Här ingår tillverkning och användning av våra produkter, men vi har också en stark ställning när det gäller att underlätta återvinning av de material som används i Volvos bilar. Mot den bakgrunden är det närmast självklart att vi engagerar oss i ett forskningsprojekt som Stålkretsloppet. Vi förväntas oss att forskningen leder till nya effektiva system för återvinning av stål och legeringsmetaller. Bengt Höök Utvecklingsansvarig för karosser vid Volvo Personvagnar SSAB Svenskt Stål AB Den forskning som sker inom Stålkretsloppets ramar har tydliga kopplingar till SSABs miljöpolicy. Vi har som mål att ständigt förbättra vår produktion genom bland annat effektivare energianvändning och minskad andel malmbaserad råvara. Själva beteckningen Stålkretsloppet är precis det vi strävar efter i vår dagliga verksamhet och engagemanget i projektet är helt i linje med företagets övergripande ambitioner. Vi är engagerade i flera av delprojekten i Stålkretsloppet. Speciellt intressant är om forskningen kan ge både bättre kvalitet på fragmenterat skrot och slagg som är fri från vanadin, såväl nya verktyg för utvärdering av miljöpåverkan som bra hjälpmedel för utformning av lätta konstruktioner av avancerade höghållfasta stål. 5

6 Göran Carlsson Teknisk direktör SSAB Svenskt Stål AB Programstyrelsens ordförande Sandvik Materials Technology Inom Sandvik arbetar vi aktivt för att hålla oss i framkant när det gäller miljöfrågorna. Vi har skrivit in miljöhänsyn som en viktig del i den affärsstrategi som gäller för våra mer än 40 anläggningar jorden runt. Arbetet i Stålkretsloppet ger oss framför allt möjligheter att följa den tekniska utvecklingen på nära håll. Inom Sandvik har vi en bred verksamhet som på många områden tangerar flera av de olika projekt som ingår i forskningsprogrammet. Mest konkret är vi intresserade av de frågeställningar som kan resultera i nya möjligheter att återvinna och återanvända restprodukter från verksamheten. Outokumpu Oyj Stålkretsloppets ambition att kartlägga hela materialkedjan gör programmet mycket intressant för oss. Det ligger helt i linje med de mål vi satt för all verksamhet inom Outokumpu, där vi bland annat har definierat våra ambitioner att reducera såväl avfallsmängder som energianvändning. I detta sammanhang är det speciellt intressant att ta del i de forskningsprojekt som har som mål att öka återvinningen av de olika ämnen som idag följer med slagger från smältprocessen. Vi hoppas också mycket på de projekt som har som mål att skapa bättre metoder för att beräkna livscykelkostnader för produkter. Jorma Kemppainen Senior Vice President Environment, Health, Safety Outokumpu Oyj Olle Wijk vice VD och ansvarig för forskning och utveckling SMT, Sandvik Materials Technology 6

7 Att beräkna miljövinster Kvantitativa miljömål en utmaning Stålkretsloppet har ett antal kvantitativa miljömål för såväl tillverkning av stål som vid användning av stålprodukter. Ett exempel på mål är att utsläppen av växthusgasen koldioxid ska reduceras med en miljon ton per år. Det är viktigt att söka bestämma storleken av praktiskt möjliga förbättringar inom ramen för den forskning som genomförs inom Stålkretsloppet. Samtidigt är det av stort värde att söka beräkna kostnaderna för att införa och använda den nya tekniken jämfört med dagens tekniska lösningar. Det är vidare väsentligt att det blir möjligt att dra adekvata slutsatser av det arbete som utförs i programmet. Hur, exempelvis, påverkar ändringar i en process efterföljande steg i tillverkningen och i den slutliga användningen? De totala effekterna måste kunna beräknas. IVL Svenska Miljöinstitutet leder ett speciellt projekt inom programmet, med namnet Miljövärdering, som har till uppgift att belysa kostnader och möjliga miljöförbättringar. Dessutom ska i detta delprojekt utvecklas tekniker för att hjälpa beslutsfattare att väga olika typer av miljöpåverkan mot varandra. Lars-Gunnar Lindfors Forskningsdirektör, IVL Livscykelperspektiv på miljöförbättringar Direkta utsläpp från stålverk till luft och vatten påverkar vår miljö. Detta ger dock inte hela bilden. För att nå rättvisande jämförelser mellan exempelvis olika tillverkningsmetoder och produkter måste en mängd ytterligare faktorer vägas in, ofta miljöstörande faktorer som inte alltid är uppenbara för en användare. Helhetsperspektivet är A och O! En så kallad livscykelanalys, ofta förkortad LCA, anlägger detta helhetsperspektiv. Vid tillverkning av stål och andra material spelar de råmaterial man använder den avgörande rollen för verksamhetens totala miljöpåverkan. Ofta transporteras materialen långa sträckor, med utsläpp av t.ex. växthusgaser som följd. I många fall ger även framställningen av råvarorna en miljöpåverkan som måste beräknas. Energi är en av de viktigaste "råvarorna" i industriella processer. Beroende på typ av energi el eller värme och på hur energin framställs belastas miljön olika. Ett antal projekt i programmet syftar till minskad användning av energi och råvaror, t ex genom ökad återvinning av de grundämnen som ingår i stål. Vidare ger tillverkningsprocesser ofta biprodukter och avfall som exempelvis olika slagger vid ståltillverkning. Omhändertagande av dessa biprodukter kan ge nya utsläpp, men om biprodukterna används klokt och förutseende kan de ofta medverka till att minska den totala miljöpåverkan genom att de kan ersätta andra, sämre alternativ. Många gånger får en produkt större miljöpåverkan när den används jämfört med när den tillverkas. Ett typiskt exempel är bilar, som genererar mångfalt större utsläpp under sin livstid jämfört med miljöbelast- 7

8 ningen vid tillverkningen. I sådana fall kan det vara gynnsamt att fokusera på att minska miljöpåverkan vid användningen, t.ex. genom sänkt bränsleförbrukning, även om detta skulle "kosta" lite extra miljöbelastning vid tillverkningen. Om produkten kan återvinnas när den tjänat ut minskar behovet av nya råvaror, eftersom det återvunna materialet blir tillgängligt som råvara vid tillverkningen av nya produkter. Detta medverkar till att minska produktens miljöpåverkan. Om en uttjänt produkt däremot deponeras går inte bara materialet förlorat, miljön kan därtill påverkas genom läckage av miljöfarliga ämnen. Denna helhet, från råmaterial till skrotning och återvinning, kallas produktens livscykel. Att genomföra en livscykelanalys innebär att kartlägga råvaror, energi, avfall och utsläpp under denna cykel för att beräkna den totala miljöbelastningen av en produkt. Matematisk modell av processen Fysik ochkemi Interaktioner med andra delsystem Modell av processteg Återkoppling Resursuttag Produktion Användning Inkl. nytta Kvittblivning Schematisk arbetsmodell för miljövärdering Resultat Kostnader - LCC Miljöpåverkan - LCA: resursförbrukning emissioner avfall, bi- och restprodukter Återvinning Genom att jämföra livscykeln för produkter tillverkade med dagens teknik med produkter som tillverkas med den teknik som utvecklas i Stålkretsloppet kan miljövinsterna kvantifieras. En kontinuerlig analys av det löpande arbetet ska även ge återkoppling till utvecklingsarbetet och därmed visa om den inslagna vägen är rätt ur miljösynpunkt. Kostnader under produkters livscykel Kostnader måste, på samma sätt som miljöpåverkan, beräknas ur ett helhetsperspektiv för att ge ett rättvisande resultat. Livscykelkostnaden beräknas enligt samma principer som gäller för LCA och miljöpåverkan. Råvaror, som energi och järnmalm, har sina kostnader, liksom avfall har sina kostnader, exempelvis kostnader för deponering. På motsvarande sätt uppstår kostnader när produkten används, till exempel drivmedel för en bil, och då den återvinns. För att på ett rättvisande sätt utvärdera prestanda för den nya teknik som utvecklas i Stålkretsloppet kommer en analys av livscykelkostnader att genomföras förutom analysen av produkternas miljöpåverkan. Miljövärderingars komplexitet Den miljöpåverkan som beräknas med LCA är mångfacetterad och delas ofta in i kategorier beroende på hur miljön påverkas. Exempel på sådana kategorier är växthuseffekt, dvs uppvärmningen av vår atmosfär genom inverkan av olika växthusgaser som koldioxid mycket aktuell i dagens debatt - respektive försurning. Andra kategorier är övergödning, som drabbat Östersjön hårt, och utsläpp av giftiga ämnen. Det är föga meningsfullt att väga dessa kategorier mot varandra. Hur jämför man t ex följdverkningarna av en uppvärmning av atmosfären med effekterna av de utsläpp av näringsämnen som ger upphov till de algblomningar vi ser i Östersjön? Sådana avvägningar beror alltid på våra preferenser. Anser vi att växthuseffekten är ett större problem än övergödning? Hur mycket större är det i så fall? Det är viktigt att ta hänsyn till människors olika svar på dessa frågor. Miljöfrågor är således mycket komplexa. Vid val mellan olika produkter är det många olika aspekter som ska värderas och rangordnas. Ett sätt att hantera beslutspro- 8

9 blemet är att försöka mäta olika miljöattribut var för sig och sedan väga samman dessa till ett samlat mått. Det är dock sällan möjligt att uppnå enighet om vad som är viktigast. Hur ska exempelvis ökade utsläpp av giftiga ämnen vägas mot minskad klimatpåverkan? En annan metod att nå ett optimerat miljöval är att istället låta miljöexperten, produktutvecklaren eller konsumenten göra en samlad bedömning av flera olika produktegenskaper (miljö, ekonomi och teknisk prestanda). En sådan undersökning kan ge ytterligare information, eftersom den även visar prioriteringen emellan olika egenskaper. Undersökningsmetoden, (conjoint-analys, från engelskans consider jointly) är en etablerad metod inom marknadsplanering vid utveckling av nya produkter. Ett begränsat antal tillämpningar finns även rapporterade inom miljöområdet, främst avseende naturvårdsplanering. Inom Stålkretsloppet är avsikten att utvärdera om det är möjligt att tillämpa metoden vid utveckling av produkter och processer mot goda miljöprestanda. Målet är att metoden ska kunna bidra till såväl välgrundade beslut som förbättrad kommunikation mellan miljöexperter, produktutvecklare och andra intressenter. Värdering av miljöpåverkan I projektet Att beräkna miljövinster utförs ett delprojekt med syfte att kvantitativt skatta möjliga miljöeffekter av programarbetet. Detta delprojekt har huvudsakligen två uppgifter: (1) Att under projektets gång löpande skatta forskningsresultatens möjliga miljöeffekter och ge löpande återkoppling till andra projekt och delprojekt. I projektets slutfas görs en samlad skattning av potentiella miljöförbättringar som resultat av den forskning som genomförts. (2) Att utveckla en ny övergripande metodik för skattning av miljöeffekter av nya tillverkningsteknologier eller produkter ur ett livscykelperspektiv. Resultatet skall komma forskning och industri tillgodo i form av nya verktyg för miljövärdering. Utvecklingsarbetet i dessa två delar baseras på försök att kombinera modeller från livscykelanalys (LCA) med matematiska modeller för de olika stegen i livscykeln. Resultat Under 2005 har en preliminär LCA-modell för en första fallstudie baserad på diskmaskiner utvecklats. Denna modell kommer att användas som utgångspunkt för att mäta förändringar i miljöpåverkan och kostnader för de projekt som ingår i Stålkretsloppet. Vidare har för ett antal av utvecklingsprojekten sammanställts konceptuella modeller, dvs beskrivningar av processerna och hur de samverkar. Vid Högskolan i Kalmar har statistiska verktyg för att kartlägga preferenser hos olika grupper av intressenter utvecklats. Dessa verktyg ska i framtiden kunna användas för att på ett meningsfullt sätt jämföra och väga olika tekniska lösningar med olika påverkan på miljön. Tomas Öberg Docent, Kalmar Högskola 9

10 Under året genomfördes även en litteraturstudie avseende tillämpningar av conjoint-analys och liknande metoder inom miljöområdet. Litteraturgenomgången utgör grund för den vidare metodutvecklingen och de undersökningar av miljöval som ska ske inom ramen för Stålkretsloppet. Resultatet används för att gå vidare med utvärdering av mer komplexa produkter. Schematisk bild över material- och energiflöden vid tillverkning av diskmaskiner 10

11 Genom att minska variationerna hos det finfördelade (fragmenterade) skrotet och öka dess densitet kan stålindustrins elbehov och utsläpp av koldioxid reduceras. Att ta till vara uttjänta stålprodukter - fragmentering Bakgrund Dagens samhälle utmärks av en tidigare aldrig skådad användning av sammansatta produkter, som fordon, hushållsmaskiner och elektronik. Infrastrukturen för produktion och distribution växer. Utvecklingen löper i stort längs dessa linjer över hela världen. Uttjänta produkter består av ett stort antal olika material. De kan därför inte utan vidareförädling användas som råvara till nya produkter. I materialens kretslopp spelar därför fragmenterings- och separationsanläggningar en väsentlig roll för återvinning av stål, järn och andra metaller. I figuren visas en översikt över hur en sådan anläggning kan vara uppbyggd. Syfte Målet för projektet är att utveckla skrothanteringsprocessen mot förbättrad precision, mindre kvalitetsvariationer och högre densitet samt att utveckla hanteringen av de restprodukter som uppstår vid separeringen. Metod och miljönytta Genom att tillämpa etablerad undersöknings- och försöksteknik från mineralområdet blir det möjligt att förbättra precisionen vid separering av skrotet. Därigenom underlättas också arbetet med att nå jämnare kvalitetsbestämning av de återvunna och separerade metallvolymerna. Fragmenterat skrot används som stålråvara både i ljusbågsugnar och i stålkonvertrar vid malmbaserad ståltillverkning. Med tillförlitlig kemisk analys, låg föroreningsgrad samt hög volymvikt hos skrotet kan man nå förbättringar i termer av lägre förbrukning av energi, malm och andra råvaror och därmed nå lägre kostnader. De restprodukter som återstår efter separeringen är idag svåra att återanvända, men de bör till stor del kunna användas som bränsle eller som reduktionsmedel i masugnar. För närvarande utgör de ett växande miljöproblem. Resultat Den kartläggning av produktionsflödet vid fragmenteringsanläggningar som genomfördes 2005 har legat till grund för planeringen av fortsatta forskningsinsatser inriktade mot högre kvalitet på fragmenterat skrot samt miljövänligare fragmenteringsprocesser. Fragmenteringsanläggning med separering av järn och stål från övriga metaller och ometalliskt material 11

12 Utveckling av laseranalys för snabb bestämning av skrotets metallinnehåll minskar behovet av jungfruliga legeringsmetaller i ståltillverkningen. Analys av skrotets sammansättning - laseranalys Bakgrund Bestämning av skrotets sammansättning sker idag med metoder med begränsad träffsäkerhet. Detta begränsar möjligheterna till optimal skrotanvändning vid tillverkning av nytt stål. Syfte Laseranalysprojektets mål är att utveckla en snabb och exakt metod för bestämning av skrotets sammansättning och analys. Metoden ska göra det möjligt att styra sammansättningen av en stålsmälta. Med kunskap om det faktiska innehållet i det skrot som tillsätts kan inte bara förbrukningen av jungfruliga metaller reduceras utan även den tid som erfordras för skrotsmältning och färdigställning. Därmed minskas även energianvändningen. Metod Projektet bygger på snabb spektrometrisk analys av det laserplasma som bildas då en laserpuls träffar en skrotbit. Laserteknik har tidigare inte använts i detta sammanhang och den kräver därför anpassning av tekniken till de förutsättningar som gäller vid en fragmenteringsanläggning eller stålverk. Forskningen har hittills i huvudsak koncentrerats på att undersöka olika inställningar av laserparametrarna. Vidare har stålprover med certifierad sammansättning använts för att identifiera kalibreringskurvor. Den teknik som används benämns Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Resultat Detektionsgränser och signalanalyser för ett antal legeringselement för stål har identifierats. Analys av laserparametrar har i första hand tagits fram för de viktigaste legeringsmaterialen. Projektet kommer att ingå som en viktig del i ett större europeiskt forskningsprojekt. LIBS-analys av ett stålprov. I bilden är (A) det analyserade provet, (B) ett munstycke för luftcirkulation och (C) en ände på en optisk fiber. 12

13 Genom ökade kunskaper om skrotets cirkulation skapas förutsättningar för ökad återvinning och effektivare energianvändning inom stålindustrin. Analys av skrotflöden i samhället ökad återvinning Bakgrund Trots den höga graden av återvinning av stål vet vi ganska lite om hur skrotflödena cirkulerar i samhället. Detta är ett problem, för utan kunskap om hur skrotflödenas volym och sammansättning varierar över tiden kan skrotet inte tas effektivt till vara. Stora ekonomiska värden går till spillo och miljöbelastningen blir större än den behöver vara. Syfte Projektet syftar till att skapa bättre förutsättningar för stålföretagens och återvinningsindustriernas strategiska planering och därigenom möjliggöra en optimering av skrotåtervinningen på samhällsnivå. Effektiv skrotåtervinning medverkar till minskad förbrukning av jungfruliga material vid tillverkning av stål. Metod Genom analyser av hur ekonomiska och tekniska variabler påverkar skrotåtervinningen både relativt och i absoluta tal skapas verktyg för att prognostisera skrotflödena i samhället. Genom analys av historiska data utvecklas en modell av skrotflödena i samhället, såväl produktion som transporter, användning och insamling av skrot. Resultat Under 2005 utarbetades definitioner och struktur för den prognosmodell som ligger till grund för det fortsatta arbetet med analys av skrotflöden i samhället. En särskild studie har påbörjats avseende rivning av byggnader. Skrotinsamlingen är effektiv, men sorteringen kan göras bättre. 13

14 Genom att ytrena och värma skrotet innan omsmältning till nytt stål kan man dels minska stålugnens energiförbrukning och dess utsläpp till luft, dels använda skrotet för tillverkning av fler stålsorter. Ytrening av skrot ökad återanvändning Bakgrund När skrot används som råvara vid stålframställning når man en rad fördelar jämfört med ståltillverkning baserad på järnmalm, Både förbrukning av järnmalm och energiåtgång minskar och därmed de specifika utsläppen av koldioxid. Dessutom produceras mindre avfall och biprodukter. På grund av att skrotet har ytbeläggningar kan inte allt skrot användas vid tillverkning av alla stålsorter. Syfte Projektets mål är att genom nya metoder för ytrening av metall- och färgbelagt stålskrot bredda användningen av stål som råvara till ett ökat antal stålsorter. Metod Projektet undersöker i första hand hur zinkbeläggning på stål kan avskiljas genom att skrotet förvärms i en separat process före smältning och hur detta i så fall kan ske utan ökad miljöbelastning. I första hand undersöks om upphettningen kan ske genom användning av restproduktbränslen antingen i direkt förbränning eller via ett förgasningssteg. Experiment ska utföras i pilotskala. Utöver processens raffineringseffekt på stålskrotet kommer den avdrivna zinkbeläggningen att bedömas utifrån zinkindustrins krav på zinkråvara. Resultat Under 2005 har kraven för optimal process studerats kinetiskt och termodynamiskt. Kvalitetskrav på skrotet för olika tillämpningar har identifierats. Pilotanläggningen har anpassats till testresultaten och preliminära experiment har inletts. Skrotkorg d Test- Till avgasbehandling Tryck kontrolll Propane, Oxygen, Nitrogen, Alternativa bränslen A* Termovision *CO, CO, O, N, Hg Vätska Kommersiellt skrot etc Försöksutrustning för ytrening av skrot. Temperatur, tryck och gaser mäts på flera punkter för att utvärdera processen. Q H H T T T T T T T Analys av emissioner Zn Hg PAH 14

15 Genom att ställa om smältförloppet vid ståltillverkning kan metaller som tillförs smältan via malm eller skrot också överföras till det färdiga stålet. Härigenom minskar behovet av jungfruliga legeringsmetaller samtidigt som slaggen kan ges nya användningsområden. Smältförlopp för ökat metallutbyte - billigare stål, renare slagg Bakgrund Vid tillverkning av stål binds värdefulla legeringsmetaller till den slagg som bildas under stålframställningen. Syfte Målet för projektet är att låta sådana metaller istället blir kvar i stålet genom optimering av stålprocesser och slagghantering under smältförloppet. I projektet söks processvägar för överföring av metaller som krom, molybden, niob, vanadin, titan, nickel och mangan till det färdiga stålet. Metod Genom styrning av färskningsprocessen och kontroll av syrepartialtrycket, t ex med användning av inerta gasblandningar, söker man skapa de förutsättningar som krävs för att binda legeringsmetallerna till stålet i stället för till slaggen. Projektet syftar också till utvinning av värdefulla metaller ur restslagg genom en ny metod, s k saltextraktionsprocess. I denna forskning arbetar man med termodynamiska och kinetiska beräkningar. För det teoretiska arbetet används senast tillgängliga modellberäkningar gällande aktiviteten hos relevanta ämnen i metall- respektive slaggfas. Resultat Under 2005 har kritiska parametrar för färskning av rostfritt stål med minsta möjliga kromförluster beräknats. Resultaten antyder goda möjligheter att behålla krom i stålbadet genom sänkt syrepartialtryck, ökad temperatur och sänkt kromoxidaktivitet. Kinetiken visar vidare att det är fullt möjligt att använda koldioxid i stålugnsprocessen. Inledande undersökningar visar att nästan total återvinning av krom kan uppnås genom saltextraktion av restslagg. solubility of Cr 2 O 3 for pure Cr 2 O 3 sample(ppm) solubilty of Cr 2 O 3 for slag sample(%) (a) 7h 12h (b) h Kromextraktion av (a) ren kromoxid (b) EAF slagg med smälta salter p O p O 2-15

16 Genom utveckling av metoder för återvinning av kalk och metall ur slagger sparas naturtillgångar. Återvinning av slagg till processer och nya råvaror Bakgrund Sveriges skrotbaserade stålverk producerar årligen kring ton slagger. Slagg uppkommer vid smältning av skrot, vid skänkbehandling samt vid avkolning av stål. Även i masugnsprocesser produceras stora mängder slagg. Detta projekt är uppdelat på två delprojekt (1) återanvändning av slagg från elektrostålugnar och (2) återvinning av vanadin ur stålugnsslagg. Gouzhu Ye, Filosofie doktor, MEFOS Syfte Projekten syftar till återvinning av metaller och kalk i slagger från stålproduktion både för intern återanvändning inom stålverken och för extern användning för olika ändamål. Ändamålsenlig återvinning av slagg minskar behovet av nya naturresurser samtidigt som slaggen representerar stora ekonomiska värden där den kan återanvändas. Återvinning av slagger minskar dessutom behovet av deponering. Metod (1) Idag deponeras slagger från skrotbaserad ståltillverkning trots att de i varierande grad lämpar sig som material för vägbyggen och isolering. Förklaringen ligger i problem till följd av exempelvis lakning av krom eller hög kalkhalt som gör slaggen instabil. För att öka användningen av dessa slagger utforskas i projektet möjligheterna att a) återföra skänkslagg till ljusbågsugnen, b) genom gasgranulering behandla slagg så att den kan användas som isoleringsmaterial och som råvara inom cementindustrin, Dessutom studerar man c) mekanismerna för kromlakning ur slagg samt d) mekanokemisk behandling av mineral i olika faser. (2) Vid tillverkning av järn från malm uppkommer slagg som innehåller vanadin. Idag återanvänds cirka hälften av denna slagg som slaggbildare direkt i masugnsprocessen. Detta minskar behovet av att tillföra extra kalk. Ökad användning av slagg i processerna är idag inte möjlig på grund av slaggens innehåll av vanadin och fosfor. Även extern användning av slagg begränsas av vanadininnehållet och av den fria kalken. 16

17 Projektet utvecklar ekonomiska, miljövänliga och tekniskt genomförbara processer för vanadin- och kalkåtervinning från stålugnsslagg. Projektet inrymmer mycket stora potentiella miljöeffekter, dels energibesparingar som beräknats till 260 GWh, dels besparing av ton bränd kalk genom bättre utnyttjande av slaggbildare. Resultat Under 2005 utvecklades för (1) en termodynamisk modell för återvinning av skänkslagg. Dessutom påbörjades en studie av lakningsmekanismer för krom och molybden ur slagg från ljusbågsugnar, och för (2) en teoretisk modellering av slaggreduktion och selektiv oxidation av vanadin. Småskaliga tester har påbörjats. Tester har inletts för att klargöra hur egenskaperna hos oxidmineraler i konverterslagg påverkas av mekanokemisk behandling. Resultaten tyder på att vanadin kan anrikas upp till %. I samband med tappning av flytande stål avskiljs slagg för vidare behandling 17

18 Genom identifiering av de parametrar som vid valsning och bearbetning av plåt styr materialegenskaperna kan man med lägre processtemperatur uppnå både förbättrade egenskaper i stålet och minskad förbrukning av fossila bränslen. Höghållfasta stål miljöfördelar av många slag Bakgrund Höghållfasta stål ger stora miljöfördelar genom minskad materialförbrukning (viktsbesparingar) och/eller ökad lastkapacitet i konstruktioner respektive minskad bränsleförbrukning för given funktion eller arbetsutbyte. För att nå förbättringar av såväl stålens egenskaper som tillverkningsprocesserna för sådana stål krävs noggrann processkontroll. De möjligheter till lägre temperatur vid bearbetningen av stålet som då uppstår kan medföra minskad energianvändning vilket i sin tur minskar utsläppen av bland annat koldioxid. Syfte Syftet med forskningsarbetet är att identifiera de processparametrar som inverkar på egenskaperna hos höghållfasta stål. Dessutom ska studeras hur dessa parametrar inverkar på möjligheterna att minska energiförbrukningen under den termomekaniska processen, dvs värmning och valsning. Metod Forskningsarbetet riktar sig mot två grupper av speciellt utvecklade höghållfasta stål med extra hög hållfasthet (Re>700MPa) avsedda för tunnplåt och grovplåt. I laboratorieskala genomförs simulering av termiska och termomekaniskt kontrollerade processer vid varierande förvärmningstemperaturer, varmvalsningstemperaturer, forcerade kylningshastigheter och hasplingstemperaturer. Kombinerat med analyser av mikrostruktur och egenskaper kan samband mellan termomekaniska parametrar och mekaniska egenskaper fastställas. Genom denna forskning får stålindustrin möjlighet att förutsäga både egenskaper hos varmbearbetad plåt och hur styrning av olika parametrar för värmning och valsning av plåt kan begränsa användningen av i huvudsak fossila bränslen. Resultat Under 2005 har provstålsorter framställts och experimentella studier inletts. De har resulterat i bestämning av mikrostruktur och egenskaper (se figur) för simulerade prover samt analys av samband mellan termomekaniska processparametrar och stålets mekaniska egenskaper Rp0,2 (MPa) Stål 450, Treh=1150 C Kylningshastighet ( C/s) 1000/25% /25% /25% /25% /15% Sträckgräns som funktion av kylningsgrad för stål No 450 efter simulerad direktkylning med återvärmningstemperaturen 1150 C i laboratorieskala. 18

19 Genom att låta de metaller som ingår i stålskrot och är en naturlig del i järnmalm bli till nytta för stålets materialegenskaper hushållar vi med jungfruliga metaller. Att utnyttja restelement i skrot och malm för nytt stål Bakgrund Stålskrot och malm innehåller förutom olika restelement också legeringsmetaller som i de metallurgiska processerna ofta betraktas som föroreningar som separeras från stålet. Detta resulterar i ökade kostnader och/eller minskat värde för skrotet samt i vissa fall miljöproblem vid återvinning eller deponering av biprodukter. Syfte Projekts syfte är att finna nya sätt att dra maximal nytta av framför allt de restelement som finns i skrot men även de metaller som naturligt ingår i järnmalm. Genom att ta vara på dessa befintliga ämnens legeringsegenskaper skulle man med begränsad tillsats av jungfruligt material kunna nå de egenskaper hos stålet som eftersträvas för olika användningar. Detta kallas självlegering. Metod Självlegering som metod vid återvinning av skrot, går ut på att "vända" föroreningar till att i stället bli legeringselement i samband med omsmältningen av skrotet vid ståltillverkning. För att detta ska vara möjligt bör både sortering och tillverkningsprocessen utformas så att restelementens egenskaper kan utnyttjas på bästa sätt. Inom projektet görs termodynamiska beräkningar och försök i laboratorieskala för att verifiera vilka egenskaper stålet kan tillföras utifrån faktiska analyser på stålsmältan före raffinering. Man bör då kunna se effekten av att ha "vänt" föroreningar till legeringselement. Resultat Under 2005 har analyserats vilka grundämnen som idag betraktas som föroreningar. Ett förslag till skrotbaserad självlegering har presenterats. Det bygger på att utnyttja kopparförorenat skrot för att förbättra åldrings- och djupdragningsegenskaper hos kallvalsat glödgat stål. Margareta Nylén, och Olivier Rod Civilingenjörer, KIMAB 19

20 Genom att från ett livscykelperspektiv utveckla nya metoder för konstruktion och tillverkning av lätta stålkonstruktioner kan behovet av jungfruliga råvaror minska samtidigt som belastningen på miljön blir lägre både vid tillverkning och användning. Lätta stålprodukter för lättare återvinning nya konstruktioner Bakgrund Användningen av avancerade höghållfasta stål ökar. Detta ger utrymme för nya konstruktionslösningar som säkerställer ett rationellt utnyttjande av de nya materialegenskaperna. De höghållfasta stålen ger dels möjligheter att skapa högre värden för slutanvändaren av själva stålkonstruktionen, dels förutsättningar att utnyttja stålets egenskaper för att förenkla återvinning när produkten tjänat ut. Förutseende användning av höghållfasta stål kan således ge miljöförbättringar vid såväl tillverkning som användning och återvinning. första hand varit marknadsandel i Sverige, i andra hand intressanta kontruktionslösningar. Diskmaskinerna har demonterats för hand för att kartlägga demonterbarhet och konstruktiva lösningar. De maskiner som undersökts är cirka tio år gamla, vilket motsvarar livslängden för en diskmaskin. Arbetet går nu vidare med att utveckla nya konstruktionsmetoder inom produktområden där avancerade höghållfasta stål har hög tillväxt. Syfte Projektet syftar till att utveckla metoder och kriterier för design och konstruktion av hållbara lätta stålprodukter som utformats så att de när de tjänat ut lätt kan sönderdelas i olika materialfraktioner för rationell återvinning. Metod t HS = t MS Re Re MS HS Inom projektet utvecklas konstruktionsmetoder ur ett livscykelperspektiv dvs med inriktning mot såväl produktion som användning och återvinning. En studie fokuserad på konstruktion och demontering av diskmaskiner har genomförts. Maskiner har valts ut från skrotflödet vid en avfallsanläggning i Stockholmstrakten. Urvalskriterier har i Avancerade beräkningar för lättare konstruktioner i höghållfast stål Resultat Utifrån en existerande värderingsmodell för demonterbarhet av produkter som täcks av Europaparlamentets och Rådets direktiv, 2002/96/EG, om avfall som ut- 20

21 görs av eller innehåller elektriska eller elektroniska produkter (WEEE), kommer en ny värderingsmodell att tas fram. För att klara detta skall diskmaskinerna graderas kvalitativt ur ett isärtagningsperspektiv. Analysen ska resultera i riktlinjer för hur en optimal produkt kan se ut samt vad som är viktigt att tänka på vid konstruktion av nya produkter. En första överraskande upptäckt är att en av diskmaskinerna väger cirka 30 procent mer än de andra trots jämförbar funktion. Jan Johansson, doktorand, KTH 21

22 Programstyrelsen Organisation Programchef Administration Programsupport Ordföranderåd Skrothantering Skrotrening Metallurgi Material och konstruktion Miljövärdering Projekt Fragmentering Laseranalys Skrotflöden Projekt Ytrening av skrot Projekt Smältkoncept Slagger Projekt Självlegering Valsningsförsök Konstruktionsmetoder Projekt Livscykel- och jämförelseanalyser Organisationens uppgift är att inrikta projekten mot programmets miljömål, att medverka till att skapa värde för industrin inom nya kunskapsfält samt att kontrollera att tider och budget innehålls. Stålindustrin, verkstadsindustrin och återvinningsindustrin har utsett ett stort antal företrädare för områdena produktion, forskning, utveckling och miljö att ingå arbetsgrupperna i Stålkretsloppets organisation. Forskningsinstitutioner Högskolan i Kalmar IVL Svenska Miljöinstitutet KIMAB, Korrosions- och Metallforskningsinstitutet Kungliga Tekniska Högskolan Luleå Tekniska Universitet MEFOS MinPro Stålbyggnadsinstitutet Svenska Gjuteriföreningen Branschorganisationer Jernkontoret EUROFER Bil Sweden Företag: AGA Bombardier Svenska Electrolux Erasteel Kloster Fundia Armeringsstål Höganäs Järnbruksförnödenheter Kuusakoski LKAB SSAB Merox MultiServ Outokumpu Outokumpu Stainless Ovako Ruukki RHI Refractories Nord Sandvik Materials Technology Sandvik Tooling SSAB Oxelösund SSAB Svenskt Stål SSAB Tunnplåt Stena Gotthard Stena Metall Uddeholm Tooling Volvo Car Corporation Volvo Personvagnar Programchef Birgitta Lindblad, Jernkontoret birgitta.lindblad@jernkontoret.se 22

23 Målstyrning Vision En sluten tillverkning och användning av stål i samhället Kommunikation Rapporter Seminarier Doktorandkurser Artiklar Information Stålkretsloppets nätverk Mål Kretsloppsanpassa tillverkning och användning av stål i samhället FoU Projekten utmynnar i Metoder Tekniker Kunskap Miljökunniga forskare Kunskapsöverföring inom/ mellan forskning och industri Materialåtervinning Materialhushållning Materialutbyte av järn och legeringar Framgångsrik miljöforskning förutsätter effektiv samverkan mellan berörda forskningsområden, företrädare för industrin samt andra intressenter. Organisationen för Stålkretsloppet är utformad för att kunna medverka i en givande dubbelriktad kunskapsöverföring i samspelet mellan deltagande företag och forskarsamhället. Under år 2006 inriktas arbetet på målstyrning på projektnivå mot: miljömål energi, koldioxid, råvaror och materialbesparingar i konstruktioner; industrimål teknik, metoder, kunskap; miljövärdering genom fallstudier olika produkter som "vandrar" genom stålkretsloppet. Först pilotfall avseende enkla produkter; därefter mer komplexa produkter i såväl kolstål som rostfritt. 23

24 FORSKNING MED PRAKTISK NYTTA Stiftelsen för miljöstrategisk forskning, Mistra, stöder forskning av strategisk betydelse för en god livsmiljö och hållbar utveckling. Mistra investerar i forskargrupper som i samverkan med användare bidrar till att lösa viktiga miljöproblem. Mistras program följer inte disciplingränser, och forskningsresultaten ska komma till praktisk användning inom företag, förvaltningar och frivilligorganisationer. STIFTELSEN FÖR MILJÖSTRATEGISK FORSKNING GAMLA BROGATAN STOCKHOLM TELEFON FAX mail@mistra.org DEN SVENSKA STÅLINDUSTRINS BRANSCHORGANISATION Jernkontoret grundades 1747 och ägs sedan dess av de svenska stålföretagen. Jernkontoret företräder stålindustrin i frågor som berör handelspolitik, forskning och utbildning, standardisering, energi och miljö samt skatter och avgifter. Jernkontoret leder den gemensamma nordiska stålforskningen. Dessutom utarbetar Jernkontoret branschstatistik och bedriver bergshistorisk forskning.