Syntetiska Slaggbildare för Rostfritt Stål

EXAMENSARBETE INOM MATERIALDESIGN, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP STOCKHOLM, SVERIGE 2017 Syntetiska Slaggbildare för Rostfritt Stål JOHAN FÖLDHAZY KTH SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT

Förord Föreliggande examensarbete har utförts på FoU centrum vid Sandvik Materials Technology(SMT) i Sandviken. Examensarbetet utfördes under vintern 2016 och våren 2017. Handledare på Sandvik har varit Olle Sundqvist, och handledare på KTH har varit Nils Andersson. Jag vill rikta ett tack till min handledare Nils Andersson. Jag vill även tacka Håkan Sjöberg för hans konstanta hjälp med analysutrustning och provanalys. Jag vill också tacka operatörerna ute vid skänkugnen för att ha stått ut med, och svarat på mina konstanta frågor. Slutligen vill jag rikta ett stort tack till Olle Sundqvist för att kontinuerligt ha bidragit med hjälp och kunskap under examensarbetet.

Abstract Currently, at Sandvik Materials Technology, slag from the AOD is primarily utilized in ladle treatment of steel. This project has evaluated three synthetic slag formers for ladle treatment. The evaluation has been conducted by measuring how the total oxygen contents and amount of non-metallic inclusions change when using the three syntethic slag formers. The result from these measurements has then been compared to how the total oxygen content and amount of non-metallic inclusions change when using the slag from the AOD. The amount of slag in the ladle has, furthermore, been measured in two ways. By the use of mass balance, and by physically measuring the slag height in the ladle. The results from these two methods of measuring the slag amount has been compared. Lastly, a correlation between the total oxygen content and detected amount of non-metallic inclusions has been evaluated. The results show that the three synthetic slag formers provides a cleaner steel with regards to total oxygen content and amount of non-metallic inclusions in comparison to the slag from the AOD. There is a good conformance between measuring the amount of slag by mass balance compared to physically measure it. Lastly, it can be determined that there is no correlation between the total oxygen contents and the detected amount of non-metallic inclusions in the steel. Sammanfattning Vid Sandvik Materials Technology i Sandviken används i nuläget huvudsakligen AOD-slagg vid skänkugnsbehandling. Detta projekt har utvärderat tre syntetiska slaggbildare för skänkugnen. Utvärderingen har gjorts genom att mäta hur väl de tre syntetiska slaggbildarna renar stålet med avseende på den totala syrehalten och mängden icke-metalliska inneslutningar under skänkugnsbehandling. Resultatet från de tre syntetiska slaggbildarna har därefter jämförts med hur väl AOD-slaggen renar stålet. Vidare har slagghöjden i skänken mätts på två sätt. Både genom massbalans med hjälp av slaggsammansättning och genom att fysiskt mäta slagghöjden. Resultatet från dessa två metoder har jämförts. Dessutom har en korrelation mellan den totala syrehalten och den detekterade mängden icke-metalliska inneslutningar undersökts. Resultaten visar att de tre syntetiska slaggbildarna renar stålet bättre jämfört med AOD-slaggen. Det finns en bra överrensstämmelse mellan att mäta slagghöjden med hjälp av massbalans jämfört med att mäta slagghöjden fysiskt. Slutligen kan det konstateras att det ej finns en korrelation mellan den totala syrehalten och den detekterade mängden icke-metalliska inneslutningar.

Innehåll 1 Introduktion 1 1.1 Bakgrund............................. 1 1.2 Syftet med projektet....................... 1 1.3 Frågeställning........................... 2 2 Processkedjan vid SMT i Sandviken 2 2.1 Ljusbågsugnen........................... 3 2.2 Syrgaskonvertern......................... 3 2.3 Skänkugnen............................ 5 2.3.1 Uppskattning av mängden slagg i skänken....... 6 3 Syntetiska slaggbildare 6 3.1 Raffslagg.............................. 6 3.2 LDSF............................... 6 3.3 STENA.............................. 7 4 Teoretisk bakgrund 9 4.1 Total syrehalt........................... 9 4.2 Icke-metalliska inneslutningar.................. 13 4.2.1 Kärnbildning och tillväxt................. 14 4.2.2 Avskiljning till slaggen.................. 15 5 Insamling av data 16 5.1 Provtagning av stål........................ 16 5.1.1 Provutförande....................... 17 5.2 Provtagning av slagg....................... 18 5.2.1 Provutförande....................... 18 5.3 Uppskattning av massan hos medföljande AOD-slagg..... 18 6 Provanalys 20 6.1 Totalsyreanalys.......................... 20 6.2 Slaggsammansättning....................... 21 6.3 Icke-metalliska inneslutningar.................. 22 6.3.1 Svepelektronmikroskop(SEM).............. 22 6.3.2 Provberedning SEM................... 23 6.3.3 Energy-dispersive X-ray spectroskopy(eds)...... 24 6.3.4 Inca Feature........................ 24

7 Resultat 25 7.1 Syrehalt.............................. 27 7.1.1 Översikt.......................... 27 7.1.2 Förändring under skänkugnsbehandling......... 29 7.1.3 Differens i syrehalt mellan början och slutet...... 32 7.2 Icke-metalliska inneslutningar.................. 33 7.2.1 Översikt.......................... 33 7.2.2 Förändring under skänkugnsbehandling......... 36 7.2.3 Differens i inneslutningsmängd mellan början och slutet 39 7.2.4 Sammansättning..................... 40 7.3 Slagghöjd............................. 46 7.4 Slaggmassa............................ 47 7.5 Korrelation mellan syrehalt och inneslutningsmängd...... 47 7.6 Jämförelse med historisk data.................. 50 7.6.1 Syrehalt.......................... 50 7.6.2 Icke-metalliska inneslutningar.............. 52 8 Diskussion 52 8.1 Total syrehalt........................... 52 8.2 Icke-metalliska inneslutningar.................. 54 8.3 Slagghöjd och slaggmassa.................... 57 8.4 Korrelation mellan syrehalt och inneslutningsmängd...... 59 8.5 Sammansättning av icke-metalliska inneslutningar....... 61 8.6 Produktivitet........................... 65 9 Slutsatser 66 10 Fortsatt arbete 68 11 Referenser 68

1 Introduktion 1.1 Bakgrund Vid skänkugnsbehandling av de flesta rostfria stål hos Sandvik Materials Technology (SMT) används idag slagg från AOD:n (Argon-Oxygen-Decarburizer). Temperaturerna i slutet av AOD-behandlingen är ca 100 C högre jämfört med temperaturerna i skänkugnen. Sammansättningen av slaggen är inte optimerad för de lägre temperaturerna i skänkugnen. Till följd av detta blir slaggen stel och svårbearbetad. Detta tvingar operatörerna att använda mindre slagg än vad som är nödvändigt. För att avlägsna icke-metalliska inneslutningar är det viktigt att gränssnittet slagg-stål har en stor area. Vidare är det även viktigt att slaggen täcker stålet för att förhindra reoxidation. Dessutom är slaggens egenskaper i nuläget sådana att tillsats av legeringsämnen igenom slaggen är problematiskt. Istället för att gå igenom det täckande slagglagret lägger sig legeringsämnena ovanpå slaggen. För att komma runt detta problem används omrörning för att förskjuta slagglagret till ena sidan av skänkugnen, och på så sätt möjliggöra legeringstillsats direkt ner i smältan. Operatörerna kan även slå hål på slaggen med armeringsjärn eller smälta slaggen med grafitelektroderna för att kunna tillföra legeringsämnen till smältan. Detta reducerar dock slagg-stål gränssnittsarean och exponerar stålet för den omgivande atmosfären. 1.2 Syftet med projektet Syftet med detta projekt är att utvärdera tre olika syntetiska slaggbildare med syfte att skapa en slagg mer anpassad för temperaturerna i skänkugnen. Detta kommer att göras genom att mäta den totala syrehalten och mängden icke-metalliska inneslutningar i stålet under skänkugnsbehandling. Undersökningen kommer att börja med att mäta den totala syrehalten och mängden icke-metalliska inneslutningar under skänkugnsbehandling med slaggen som används i nuläget. Detta för att skapa referensvärden för jämförelse. Genom att jämföra resultaten från de tre syntetiska slaggbildarna med referensvärdena är det möjligt att utvärdera förbättringen av stålets renhet, 1

och därför slaggens effektivitet. Skillnaden i stålkvalitet kommer sedan vägas gentemot skillnaden i kostnad och produktivitet. 1.3 Frågeställning Projektet ämnar att svara på följande frågor: Hur stor är skillnaden i mängden icke-metalliska inneslutningar vid användning av de tre syntetiska slaggbildarna? Hur stor är skillnaden i den totala syrehalten i stålet vid användning av de tre syntetiska slaggbildarna? Vad är skillnaden i slaggkostnad och produktivitet gentemot dagens läge, och är det rimligt att byta till att använda någon av de tre syntetiska slaggbildarna? 2 Processkedjan vid SMT i Sandviken Ståltillverkningen vid SMT i Sandviken är skrotbaserad. En smälta består ungefär av 43% returskrot från produktionen, 38% köpt returskrot, och 19% legeringsämnen[1]. Processkedjan visas i figur 1 nedan. Figur 1: Processkedjan hos SMT i Sandviken där huvudstegen i tillverkningsprocessen kan ses.[1] 2

2.1 Ljusbågsugnen Ljusbågsugnen används till att smälta skrotet. Den består av ett stålhölje med vattenkyld eldfast infodring. Ljusbågsugnen hos SMT i Sandviken är av ASEA modell och har en kapacitet på 75 ton. Innan varje charge sorteras skrotet och placeras i en korg som används för att transportera skrotet till ljusbågsugnen. Elektricitet tillförs genom tre grafitelektroder. Skrotet smälts av en kontinuerlig elektrisk urladdning som kallas för ljusbåge. Området under elektroderna kallas för "hot-spots"[2]. Temperaturerna kring dessa hot-spots kan stiga till ca 3600 4000 C[2]. En illustration av ljusbågsugnen visas i figur 2 nedan. Figur 2: Ljusbågsugnen som är av ASEA modell. Den har en kapacitet på 75 ton.[1] 2.2 Syrgaskonvertern När skrotet har smält tappas det till en överföringsskänk. Denna är konstruerad så att avslaggning ska underlättas. Detta görs med hjälp av avslaggningsmaskinen som drar av slaggen från toppen av stålsmältan. Därefter placeras stålet i syrgaskonvertern (AOD:n)[1]. Syftet med AOD:n är att sänka kolhalten. Detta görs genom att blåsa syrgas igenom smältan. Kolet oxideras då till kolmonoxid, som sedan oxideras vidare till koldioxid[3]. Denna process kallas för färskning. En illustation av AOD:n visas i figur 3 nedan. 3

Figur 3: AOD:n där utsuget kan ses ovanför. Dysor i botten blåser syrgas igenom smältan. [1] Rostfritt stål har en hög kromhalt. Under färskningen oxideras mycket av kromet och transporteras till slaggen. För att reducera kromoxiden och återinföra krom till smältan tillsätts ämnen med hög syreaffinitet[3]. Dessa ämnen är antingen kisel eller aluminium[4]. De kommer att reagera med kromoxiden enligt ekvation 1 och 2 nedan. Ett understruket element innebär att detta är inlöst i stålet. 2Cr 2 O 3 (slagg) + 3Si = 4Cr + 3SiO 2 (slagg) (1) [5] Cr 2 O 3 (slagg) + 2Al = 2Cr + Al 2 O3(slagg) (2) [5] Kisel och aluminium har som funktion, förutom att reducera kromoxiden, att deoxidera smältan enligt ekvation 3, och 4 nedan. Denna process kallas för reducering.[4] Si + 2O = SiO 2 (slagg) (3) [6] 2Al + 3O = Al 2 O 3 (slagg) (4) [6] Kalk tillsätts även tillsammans med deoxidationsämnena, detta för att rena smältan från svavel. Efter reduceringen är AOD-processen klar. Detta kallas för enslaggsförfarande. Vissa stålsorter kräver dock ytterligare raffinering. I de fallen avlägsnas slaggen, varefter kalk tillsätts tillsammans med kisel eller aluminium. Detta kallas för tvåslaggsförfarande.[4] 4

Slaggen från AOD:n kan därmed ha fyra olika sammansättningar: enslaggsförfarande, Al-reducerad enslaggsförfarande, Si-reducerad tvåslaggsförfarande, Al-reducerad tvåslaggsförfarande, Si-reducerad 2.3 Skänkugnen Syftet med skänkugnen är att åstadkomma korrekt gjuttemperatur, göra slutliga justeringar av sammansättningen och avlägsna icke-metalliska inneslutningar. Skänkugnen hos SMT i Sandviken är av ASEA-SKF modell. En illustration av skänkugnen visas i figur 4 nedan. Figur 4: Skänkugnen hos SMT i Sandviken. Den är av ASEA-SKF modell. Tre grafitelektroder kan ses komma ut ifrån locket.[1] Temperaturen i skänkugnen är ca 1500 1600 C[4]. Temperaturen kan ökas genom att använda tre grafitelektroder. Avsvalningshastigheten kan ökas genom att använda omrörning. Omrörningen är även viktig för att homogenisera temperatur och sammansättning. Omrörningen går att åstadkomma på två sätt, antingen genom elektromagnetisk induktion, eller genom att blåsa argon genom dysor från botten. I början av skänkugnsbehandlingen tas ett prov på temperatur och sammansättning. Detta kallas för prov 65. Baserat på resultatet av prov 65 tillsätts legeringsämnen och temperaturen höjs eller sänks. Innan processen avslutas tas ett slutprov. Detta kallas för prov 80, och tas för att bekräfta att temperatur och sammansättning är inom acceptabla gränser. 5

2.3.1 Uppskattning av mängden slagg i skänken Innan smältan transporteras till skänkugnen måste den slaggas av. Hur mycket slagg som ska avlägsnas baseras på operatörernas erfarenhet. De tar sitt beslut baserat på ett temperaturprov och hur slaggen ser ut i relation till temperaturen. Om slaggen ser stel/solid ut och är orienterad som mörka öar ovanpå smältan avlägsnas mer slagg jämfört med om slaggen ser flytande/skummig ut och är homogent distribuerad på smältan. När slagg avlägsnas kommer alltid en viss del stål att följa med. För att minimera stålförluster är det därför önskvärt att avlägsna så lite slagg som möjligt innan skänkugnsbehandlingen. 3 Syntetiska slaggbildare Syntetiska slaggbildare tillsätts då det är önskvärt att slaggen ska ha vissa egenskaper[7]. De tre syntetiska slaggbildare som skall utvärderas i detta projekt kallas för raffslagg, LDSF, och STENA. 3.1 Raffslagg Raffslaggen är basisk och börjar smälta vid ca 1500 C[7]. Basiciteten är viktig för att sänka syrehalten. Den är även viktig för att rena stålet från föroreningar som svavel och fosfor. Raffslaggens sammansättning kan ses i tabell 1 nedan. Tabell 1: Sammansättning raffslagg Förening min. mängd [wt%] max. mängd[wt%] CaO 47.0 52.0 SiO 2-3.0 Al 2 O 3 38.0 42.0 T io 2-1.0 V 2 O 5-2.0 F e 2 O 3-2.0 MgO 5.0 8.0 3.2 LDSF Sammansättningen på LDSF-slaggbildaren liknar dem för raffslaggens. Till skillnad från raffslaggen börjar LDSF-slaggbildaren smälta vid ca 6

1300 1400 C. Detta gör att den flyter ut bättre och används därför när låg kolhalt i stålet är viktigt då slaggen skyddar stålet från de koltillsatser som tillkommer från grafitelektroderna[7]. Sammasättningen på LDSF slaggbildaren kan ses i tabell 2. Tabell 2: Sammansättning LDSF Förening min. mängd [wt%] max. mängd[wt%] CaO 49.0 54.0 SiO 2-3.8 Al 2 O 3 41.0 45.0 T io 2-2.8 F e 2 O 3-1.8 MgO - 2.0 3.3 STENA För att kunna använda raffslagg och LDSF-slaggbildaren bör AOD-slaggen avlägsnas i största möjliga mån. Detta resulterar i lägre produktivitet och ökande stålförluster. STENA-slaggbildaren kan användas i kombination med slagg från AOD:n. Hur mycket STENA-slaggbildare som måste tillsättas beror på vilken slagg som användes i AOD:n. I detta projekt kommer den Al reducerade slaggen från tvåslaggsförfarandet att utvärderas. En blandning av 50 wt% AOD-slagg och 50 wt% STENA-slaggbildare skapar en slagg som är ca 90% smält vid 1300 C. Detta enligt figur 5 nedan. Sammansättningen hos AOD-slaggen, STENA-slaggbildaren och AOD-STENA blandningen visas i tabell 3, 4, och 5 respektive. 7

Figur 5: Hur andelen smält fas varierar med temperaturen för AOD-STENAslagg med en blandning av 50wt% vardera. Beräknat med Thermo-calc version 2016a, databas: TCOX6. Beräkningen är baserad på sammansättningen enligt tabell 5 och är gjord med atmosfäriskt tryck samt det temperaturintervall som är definierat i grafen. Tabell 3: Sammansättning AOD-slagg Förening mängd [wt%] CaO 60 Al 2 O 3 30 MgO 10 Tabell 4: Sammansättning STENA Förening mängd [wt%] CaO 32 SiO 2 6 Al 2 O 3 47 MgO 12 8

Tabell 5: Sammansättning AOD-STENA slagg Förening mängd [wt%] CaO 46 Al 2 O 3 39 MgO 11 SiO 2 3 4 Teoretisk bakgrund 4.1 Total syrehalt Den totala syrehalten är en praktisk storhet att använda för att uppskatta en process effektivitet[8]. Viktigt att inse är att den totala syrehalten är den andel syre som är inlöst i stålet och den andel syre som existerar bunden som icke-metalliska inneslutningar[8]. Under en deoxidationsprocess kommer halten inlöst syre kraftigt att minska. Detta innebär dock inte att den totala syrehalten minskar lika snabbt eftersom syret reagerar med deoxidationsämnet och övergår till att vara bundet som icke-metalliska inneslutningar. Dessa måste avlägsnas innan den totala syrehalten kan minska[9]. En typisk kurva för hur den totala syrehalten, och halten inlöst syre förändras under en deoxidationsprocess kan ses i figur 6. 9

Figur 6: Skillnaden i total syrehalt och inlöst syre under en deoxidationsprocess[9] Om den totala syrehalten närmar sig värdet som motsvarar den termodynamiska jämvikten för inlöst syre i ett stål är stålet renat från nästan alla oxidiska inneslutningar[9]. Ett sådant stål kallas för ultra-rent[9]. För att kunna utvärdera skillnaden mellan den totala syrehalten och den termodynamiska jämvikten för inlöst syre måste den jämvikten beräknas. Om stålet deoxideras med aluminium kan lösligheten för syre beräknas i enlighet med ekvation 4. 2Al + 3O = Al 2 O 3 (slagg) (4) Där Gibbs fria energi beskrivs av G = G 0 + RT lnk G 0 = RT lnk (5) [10] och G 0 = 1209490 + 391.49T [J/mol] (6) [5] 10

K är den dimensionslösa jämnviktkonstanten och beskrivs av K = a Al 2 O 3 där a a 2 Al2 Al a3 O 3 = 1 (7) O Aktiviteterna och aktivitetskoefficienterna kan beräknas i enlighet med Lupis ekvation och Wagners ekvation a i = f i [wt%i] (8) [10] log f i = n j e j i [wt%j] (9) [11] Där f i är den Henrianska aktivitetskoefficienten för komponent i, och e j i är första ordningens interaktionsparametrar för i på j. Om stålet deoxideras med kisel kan lösligheten för syre beräknas på liknande sätt enligt ekvation 3 där G 0 = 555937 + 208.962T [J/mol] (10) [5] och K = a SiO 2 där a a Si a 2 SiO2 = 1 (11) O Lösligheten för syre kan även beräknas i Thermo-calc version 2016a med databasen TCFE8. Lösligheten av syre för de aktuella stålsorterna med sammansättning enligt tabell 6 presenteras nedan i tabell 7. De har beräknats vid 1600 C. Tabell 6: Sammansättning för de aktuella stålsorterna. Alla värden visas i massprocent. Stålsort C Si Mn Cr Ni Mo Al 316L 0.016 0.38 1.65 16.93 11.18 2.02 0.003 SAF2205 0.016 0.4 0.8 22.34 5.46 3.13 0.015 2RE69 0.011 0.3 1.72 24.82 22.14 2.03 0.015 Tabell 7: Lösligheten av syre för de aktuella stålsorterna vid 1600 C. Beräknat i Thermo-Calc version 2016a. Databas: TCFE8. Stålsort löslighet [ppm] 316L 34 SAF2205 13 2RE69 19 11

Vid gjutning kommer mängden inlöst syre skapa oxider. För stålsort 316L bör dessa vara av typen corundum(al 2 O 3 ) och spinel(mnal 2 O 4 ). Detta enligt figur 7 nedan. För stålsort SAF2205 bör oxiderna vara av typen corundum. Detta kan ses i figur 8. Dessa oxider kommer, tillsammans med de redan existerande oxiderna, att utgöra det totala antalet oxidiska inneslutningar i stålet. Avlägsnandet av inneslutningar som skapas under deoxidation och skänkugnsbehandling är fundamentalt för stålets kvalitet. Figur 7: Oxidutskiljning i ett stål med sammansättning enligt 316L i tabell 6 och varierad aluminiumhalt. Beräknat i Thermo-Calc version 2016a. Databas: TCFE8. 12

Figur 8: Oxidutskiljning i ett stål med sammansättning enligt SAF2205 i tabell 6. Beräknat i Thermo-Calc version 2016a. Databas: TCFE8. 4.2 Icke-metalliska inneslutningar Icke-metalliska inneslutningar påverkar materialets egenskaper. När det kommer till egenskaper som duktilitet, seghet, formbarhet, svetsbarhet och utmattningshållfasthet har inneslutningarna en negativ påverkan[12][13]. I figur 9 nedan visas relationen mellan utmattningslivstid och oxidiska inneslutningar. 13

Figur 9: Antalet oxidiska inneslutningar större än 30 µm i relation till utmattningshållfastheten[14] 4.2.1 Kärnbildning och tillväxt När deoxideringsämnet tillsätts och löses in i smältan kommer det ske en kraftig kärnbildning av inneslutningar. Det finns en kritisk radie för en inneslutning över vilken inneslutningen anses vara stabil. Radien kan beräknas med ekvation 12 nedan. r = 2σV m (12) [15] G m Där σ är ytspänningen för den nybildade kärnan. V m är den molära volymen och G m är den drivande kraften för deoxidationsreaktionen som beror på övermättnaden[9]. För SiO 2 och Al 2 O 3 partiklar motsvarar detta ett intervall på ca 6-32 Å[16]. Efter den initiala kärnbildningen tillväxer inneslutningen. Detta kan ske på ett antal olika sätt[16]. Tillväxt genom diffusion av syre och deoxidant till inneslutningen. Detta sker snabbt och är över inom en kort tidsperiod[16]. Tillväxt genom koalescens. Det har visats att det tar ca 30 minuter för SiO 2 partiklar med diameter 2.5µm att växa till 3.0µm[16]. Vidare har det 14

även visats att det tar ca 2.4 timmar för Al 2 O 3 partiklar med diametern 2.5µm att växa till 3.0µm. Detta vid 1600 C och 5 ppm inlöst syre. Denna tillväxtmekanism kan därför beaktas som oviktig i jämförelse[16]. Tillväxt genom kollision anses vara den dominerande tillväxtmekanismen[13]. Kollision kan ske på grund av olika anledningar. Inneslutningar kan kollidera på grund av turbulent flöde i skänken. De kan även kollidera på grund av lamellärt flöde. Det kan existera hastighetsgradienter i det lamellära flödet. Två olika inneslutningar som rör sig längs olika strömlinjer med olika hastighet kan då kollidera[16]. Inneslutningar kan även kollidera på grund av att de har olika storlek. En inneslutning i smältan kommer att stiga. Detta sker som en konsekvens av att inneslutningen och smältan har olika densitet. Större inneslutningar kommer därför ha större lyftkraft och därmed större hastighet uppåt. En större inneslutning kan därför hinna ikapp och kollidera med en mindre. Denna typ av kollision kallas för Stokes-kollision[16]. 4.2.2 Avskiljning till slaggen Avlägsnandet av inneslutningar till slaggen kan delas upp i tre steg[17]: 1. Flotation av inneslutningen till slagg-stål gränssnittet. Större inneslutningar kommer att transporteras till gränssnittet snabbare. Terminalhastigheten för en inneslutning med radien r antas följa Stokes-lag för runda partiklar[16]. Denna kan ses i ekvation 13 nedan. V t = 2 9 (ρ F e ρ incl ) gr 2 (13) [9] µ Där ρ F e och ρ incl är densiteten för smält stål respektive inneslutningen, g är gravitationsaccelerationen, och µ är viskositeten för stål. 2. Inneslutningen separeras från smältan till slagg-stål gränssnittet. Detta kräver att inneslutningen bryter ytspänningen för det smälta stålet[18]. 3. Absorption av inneslutningen in i slaggfasen[17] Inneslutningar tenderar att följa stålflödet[18]. I skänkugnar med elektromagnetisk omrörning ökas avskiljningshastigheten då inneslutningarna transporteras till slaggen snabbare[19]. Dessutom kan en avsevärd del av inneslutningarna även avskiljas genom att fastna på 15

väggarna av skänken[9]. Omrörningsstyrkan förbättrar dock avskiljningskinetiken enbart till en viss gräns. Många inneslutningar har högre densitet än slaggen[17]. Detta leder till att de blir liggande i slagg-stål gränssnittet. Om flödet i skänkugnen är för kraftigt kan dessa inneslutningar dras ned och återintroduceras till smältan[17]. En för kraftig omrörning kan dessutom förskjuta slaggen och exponera smältan för den omgivande atmosfären vilket orsakar reoxidation[19]. 5 Insamling av data 5.1 Provtagning av stål De prover som togs på det flytande stålet kallas för lollipop prov. Dessa var 30 mm i diameter. Ett exempel på ett prov visas i figur 10 nedan. Figur 10: lollipop prov Provtagningen utfördes genom att fästa en engångsprovhylsa på en provtagningslans, varpå en ventil slogs på och argon spolades genom provhylsan. Detta för att undvika att toppslagg kontaminerade provet. Provhylsan fördes därefter ner i stålet och argonflödet stängdes av på ett djup av ca 30 cm. Därefter kunde smält stål flöda in i provhylsan med hjälp av det ferrostatiska trycket och ett prov kunde gjutas. Varje provhylsa innehöll kokiller för två lollipop prov. Ett av dessa användes för totalsyreanalysen, och det andra för att analysera icke-metalliska inneslutningar. Ett exempel på en provhylsa kan ses i figur 11 nedan, och en schematisk genomskärning kan ses i figur 12. 16

Figur 11: Provhylsa för provtagning av stål Figur 12: En schematisk genomskärning av provhylsan där kokillerna för de två lollipop proven kan ses[20] 5.1.1 Provutförande Under skänkugnsbehandlingen togs prover för undersökning av den totala syrehalten ungefär varje kvart. Det första provet togs samtidigt som prov 65 precis i början av processen. Det sista provet togs precis i slutet, samtidigt som prov 80. Detta eftersom prov 80 och prov 65 används för att undersöka stålets sammansättning. Denna information kan därför användas till att beräkna stålets löslighet för syre. Vid varje provtagningstillfälle mättes även temperaturen på stålet. Tiden för en skänkugnsbehandling varierar från charge till charge och stålsort till stålsort. Många variabler påverkar hur lång tid processen tar. Bland dessa finns temperaturen stålet har från AOD:n, vilken sammansättning stålet har från AOD:n samt vilken sammansättning stålet ska ha efter skänkugnsbehandlingen. Merparten av de undersökta chargerna stränggöts. Vid stränggjutningen används en gjutlåda. Den huvudsakliga funktionen för en gjutlåda är att fungera som buffert. Dvs när den första chargen tar slut kan den bytas ut till nästa utan att det blir ett avbrott i gjutningen. Vid sekvensgjutning hos 17

SMT i Sandviken gjuts vanligen två charger i samma gjutlåda. När mer än en charge gjuts i samma gjutlåda kallas det för sekvensgjutning. Det tar ca 40 minuter för en charge att tömmas. Detta innebär att charge två i sekvensen har ca 35-40 minuter på sig i skänkugnen. Om det inte är sekvensgjutning tar skänkugnsbehandlingen vanligtvis mellan 60-90 minuter. Antal provtagningstillfällen på en charge varierar därför med hur lång tid chargen behandlades i skänkugnen. På charge två i sekvensgjutning togs prov vanligtvis vid tre tillfällen. Om det inte var sekvensgjutning togs prov vanligtvis vid fem tillfällen. 5.2 Provtagning av slagg Slaggen flyter ovanpå stålet. Provtagningen förenklades genom att vända på den elektromagnetiska omröraren och på så sätt förskjuta slaggen mot provtagningsluckan i skänkugnen. Proverna togs med hjälp av en skopa fastsatt i änden på en lans. Denna skopa byttes ut med jämna mellanrum då slagg och stål fastnade på den, samt att den smälte lite vid provtagning. Slaggen från AOD:n kunde ibland ha bildat ett tjockt och stelnat lager ovanpå stålet. Ifall detta var fallet användes ett armeringsjärn för att slå sönder slaggen och på så sätt möjliggöra provtagning av de sönderslagna slaggbitarna. Denna procedur är den samma som genomförs då tillsättning av legeringsämnen igenom slaggen är omöjligt på grund av att slagglagret är för tjockt och stelt. 5.2.1 Provutförande På chargerna som användes som referens togs slaggprov vid ett tillfälle. Detta var i början på skänkugnsbehandlingen. På chargerna där försök på nya slaggbildare gjordes togs slaggprov vid tre tillfällen. Det första provet var på kvarblivande AOD slagg. Detta togs precis i början av processen. Det andra provet togs när slaggbildaren hade tillsatts och smält in. Det sista slaggprovet togs i slutet av skänkugnsbehandlingen. 5.3 Uppskattning av massan hos medföljande AOD-slagg Enligt figur 5 är det önskat att blanda 50wt% AOD-slagg med 50wt% STENA-slaggbildare för att åstadkomma en korrekt likvidustemperatur. Detta innebär att massan på slaggen från AOD:n måste mätas med syfte att tillsätta lika stor massa STENA-slaggbildare. På grund av 18

temperaturerna är det problematiskt att på ett exakt sätt mäta massan slagg ovanpå flytande stål. För att komma runt detta användes en typ av itererande metod. Operatören utförde en uppskattning på massan AOD-slagg i skänken och avlägsnade så mycket slagg tills hen bedömde att det återstod ca. 250 kg. Därefter placerades skänken i skänkugnen varpå ett prov på AOD-slaggens sammansättning togs. Efter detta tillsattes ca. 250 kg STENA-slaggbildare som smältes med hjälp grafitelektroderna. När slaggen var smält togs ytterligare ett prov på AOD-STENA blandningens sammansättning. Efter analys av slaggsammansättningarna räknades massan AOD-slagg ut med hjälp av massbalans. Detta enligt ekvation 14 och 15 nedan wt%cao (ST ENA) m (ST ENA) + wt%cao (AOD slagg) m (AOD slagg) = wt%cao (AOD ST ENA) m (AOD ST ENA) (14) wt%al 2 O 3(ST ENA) m (ST ENA) + wt%al 2 O 3(AOD slagg) m (AOD slagg) = wt%al 2 O 3(AOD ST ENA) m (AOD ST ENA) (15) CaO och Al 2 O 3 valdes till massbalansen då dessa föreningar är huvudkomponenter i slaggen. När massan AOD-slagg hade erhållits kunde operatörens initiala uppskattningen av AOD-slaggens massa korrigeras till nästa försök. Som jämförelse till detta sätt att räkna ut slaggens massa mättes även höjden på den smälta slaggen. Detta gjordes genom att doppa ett armeringsjärn i slaggen. Den delen av armeringsjärnet som låg i stålet smälte då av, medan den delen som låg i slaggen täckdes av slagg. Detta kan ses i figur 13 nedan. Figur 13: Armeringsjärn efter mätning av slagghöjd 19

Med denna information kan slagglagret approximeras till en cylinder, och med hjälp av skänkdimensionerna och slaggdensiteten kunde slaggens massa räknas ut. 6 Provanalys 6.1 Totalsyreanalys Lollipop provet avsett för totalsyreanalysen kapades upp enligt figur 14 nedan. (a) (b) Figur 14: (a): Före kapning. (b): Efter kapning Den mellersta delen användes för totalsyreanalysen. Sidorna filades ned och små bitar kapades sedan av. Slutligen tvättades de uppkapade bitarna i etanol i ett ultraljudsbad. För varje lollipop prov gjordes tre syremätningar. Den totala syrehalten mättes med så kallad förbränningsanalys i en apparatur av typ LECO TCH600. Massan för varje prov vägdes varpå provet lades i en grafitdegel av typ LECO 776-742. Denna placerades i en elektrodugn. Provet smältes under heliumatmosfär. Syreföreningarna i provet reducerades då av grafiten varpå koldioxid och kolmonoxid bildades[21]. Mätningen utfördes av fyra IR celler. Syre mättes genom att först föra de bildade gaserna genom en kolmonoxid-och koldioxidcell. Därefter fördes gaserna vidare genom en kopparoxidtråd som omvandlar kolmonoxiden till koldioxid[21]. Efter detta fördes gaserna återigen genom IR-modulen och passerade sedan ytterligare en koldioxidcell för mätning av den totala syrehalten. Den totala mätosäkerheten, dvs, intervallet kring det uppmätta värdet, inom vilket det sanna värdet ligger med 95% sannolikhet är för syre 4.4 20

ppm. Detta för ett uppmätt värde inom intervallet 0.6-100 ppm. Alla mätningar låg inom detta intervall. Det bör nämnas att mätosäkerhetsberäkningarna var baserade på en begränsad mängd data. 6.2 Slaggsammansättning 6-8 gram av slaggprovet krossades till ett pulver med hjälp av en käftkross. Efter detta siktades pulvret genom en 100µm sikt, varpå det sluts upp i litiumborat. Ett exempel på en slagg före och efter provberedningen kan ses i figur 15 nedan. (b) (a) Figur 15: (a): Före provberedning (b): Efter provberedning Sammansättningen analyserades sedan i PW 2640 med konventionell röntgenfluoroescens spektrometri(xrf). Principiellt bestrålas provet med primära röntgenstrålar. Dessa har tillräckligt med energi för att avlägsna en elektron från en inre orbital[22]. Elektrondistributitionen i atomen är då ej i jämnvikt vilket leder till att en elektron från en yttre orbital faller ned till den vakanta platsen[22]. Detta är en position där elektronen innehar lägre energi. Skillnaden i energi mellan den yttre och inre orbitalen avges då som sekundära röntgenstrålar. Dessa innehåller våglängder som är karaktäristiska för elementen. Våglängderna är vanligtvis inom intervallet 0.01-10nm. Intensiteten av olika våglängder kan användas till att beräkna koncentrationen av de olika elementen. Den utvidgade mätosäkerheten med hänsyn till spridningen(u RW ) för de olika föreningarna presenteras i tabell 8 nedan. Värdena anger det intervall inom vilket det sanna värdet ligger med 95% sannolikhet. 21

Tabell 8: Mätosäkerhet för röntgenfluoroescens spektrometri[23] Element/Förening Haltområde(%) Detektionsgräns(ppm) U RW (rel%) SiO 2 1-95 15 1.7 Al 2 O 3 0.1-70 20 2.2 F eo 0.5-70 15 22 M no 0.05-25 10 2.1 CaO 0.5-75 35 1.1 M go 0.1-50 120 2.4 P 2 O 5 0.01-10 5 11 V 2 O 5 0.05-1 20 8.3 Cr 2 O 3 0.1-35 15 4.8 S 0.1-4 15 6.6 6.3 Icke-metalliska inneslutningar 6.3.1 Svepelektronmikroskop(SEM) Vid varje provtagningstillfälle för den totala syrehalten togs även ett likadant prov för undersökning av icke-metalliska inneslutningar. Dessa prov analyserades i SEM. Förutom antal inneslutningar per kvadratcentimeter erhölls även information om deras storleksfördelning och sammansättning. Vid svepelektronmikroskopi placeras provet i en kammare som sedan försätts i vakuum. Provet beskjuts därefter med elektroner som genereras av en metalltråd och accelereras av ett elektriskt fält. Elektronerna kommer att interagera med provet som i sin tur genererar strålning. Exempel på strålning är SE(secondary electrons) som tillhörde provet från början och BSE(backscatter electrons) som härrör från elektronkällan men som interagerar elastiskt med provet och når detektorn. Karaktäristisk röntgenstrålning kommer också att genereras och används för analys av sammansättningen. Interaktionsvolymen kan åskådliggöras som i figur 16 nedan. 22

Figur 16: Interaktionsvolymen vid SEM[24] 6.3.2 Provberedning SEM Provberedningen för svepelektronmikroskopin utfördes på följande sätt: Inloppet på lollipop provet kapades och provet göts in i en blandning av lika delar bakelit och polyfast Slipning med gritnummer P220 (58µm kornstorlek) tills provet blev plant Slipning med gritnummer P400 (35µm kornstorlek) i 30 sekunder Slipning med gritnummer P600 (25.8µm kornstorlek) i 30 sekunder Slipning med gritnummer P1200 (15.3µm kornstorlek) i 30 sekunder Polering med polycloth (3µm kornstorlek) i 4 minuter Oxidpolering med microfloc och kiseloxidsuspension(0.06µm kornstorlek) i 6 minuter Ultraljudsrengöring Avtorkning med bomull och etanol Därefter förvarades proven i en kontrollerad miljö för damm tills de analyserades. Ett exempel på ett färdigt prov kan ses i figur 17 nedan. 23

Figur 17: lollipop prov klar för analys i SEM 6.3.3 Energy-dispersive X-ray spectroskopy(eds) Sammansättningen på inneslutningarna analyserades med hjälp av den karaktäristiska röntgenstrålningen. Detta gjordes med EDS. Analysmetoden ger upphov till ett spektrum. Linjerna i spektrumet är relaterat till atomnumrena för elementen från vilka röntgenstrålningen kommer. Element med högre atomnummer kommer generera linjer vid successivt högre energier[25]. Kemiska föreningar kan inte utläsas direkt men kan härledas från de ingående elementen. Ett exempel på ett spektrum kan ses i figur 18 nedan. Analysen och efterbehandlingen av den genererade datan är automatiserad och utförs av mjukvara. Figur 18: Ett exempel på ett spektrum taget på grundmaterialet 6.3.4 Inca Feature Programmet som användes vid analysen kallas för Inca feature. Alla prov analyserades genom att definiera en area på provet. Arean hade formen av en rektangel, och vid alla hörn av rektangeln justerades provets 24

z-koordinat. Detta för att kompensera för eventuella höjdskillnader i provet som kan föra det ur fokus. Denna area delades sedan in i ett antal fält som analyseras separat. Antalet fält definieras av användaren och valdes till 250. För att kunna särskilja inneslutningarna från grundmaterialet tas en analys på den omkringliggande matrisens sammansättning. Datan som genererades efterbehandlades i inclusion classifier. I detta program avlägsnades områden som hade samma sammansättning som grundmatrisen. Områden som hade en alltför avvikande sammansättning klassificerades som skräp och avlägsnades också. Detta kan till exempel vara dammpartiklar på provet som innehåller en orimligt hög mängd klor. Resterande områden klassificerades som inneslutningar och kategoriserades efter storlek och sammansättning. Detta med hjälp av ternära diagram med lämpliga axlar. Storleksfördelningen innehåller fyra klasser. Dessa definieras i tabell 9 nedan. Tabell 9: Storleksfördelning för icke-metalliska inneslutningar Klass Storlek(µm) 1 2.8-5.6 2 5.6-11.2 3 11.2-22.4 4 >22.4 7 Resultat Totalt har försök utförts på 31 charger i 5 försöksgrupper. Dessa har fått benämningen Ref-Si, Ref-Al, Raff, LDSF, och STENA. Försöksgruppen Ref-Si innehåller referensvärden för kiselreducerade stålsorter med enslaggsförfarande. Dessa jämförs med försöksgrupperna LDSF och Raff. Ref-Al innehåller referensvärden för aluminiumreducerade stålsorter med tvåslaggsförfarande. Dessa jämförs med försöksgruppen STENA. Varje charge har fått en försöksbenämning. Försöksbenämningen samt information om slaggtyp, stålsort och chargenummer kan ses i tabell 10 nedan. 25

Tabell 10: Översikt på utförda försök Datum Stålsort Chargenummer Slaggtyp Försöksbenämning 22/11-2016 304L 547644 enslagg Si-reducerad Ref-Si-1 22/11-2016 304L 547645 enslagg Si-reducerad Ref-Si-2 22/11-2016 304L 547646 enslagg Si-reducerad Ref-Si-3 08/12-2016 316L 547812 enslagg Si-reducerad Ref-Si-4 21/12-2016 316L 547901 enslagg Si-reducerad Ref-Si-5 31/01-2017 316L 548253 enslagg Si-reducerad Ref-Si-6 09/12-2016 SAF2507 547823 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-1 09/12-2016 SAF2507 547824 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-2 04/01-2017 SAF2507 547959 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-3 04/01-2017 SAF2507 547960 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-4 04/01-2017 SAF2507 547961 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-5 13/01-2017 SAF2507 548086 tvåslagg Al-reducerad Ref-Al-6 08/12-2016 316L 547813 raffslagg Raff-1 08/12-2016 316L 547814 raffslagg Raff-2 09/12-2016 316L 547817 raffslagg Raff-3 09/12-2016 316L 547818 raffslagg Raff-4 21/12-2016 316L 547900 raffslagg Raff-5 21/12-2016 316L 547902 raffslagg Raff-6 21/12-2016 316L 547903 LDSF LDSF-1 04/01-2017 316L 547958 LDSF LDSF-1 11/01-2017 304L 548057 LDSF LDSF-3 31/01-2017 316L 548256 LDSF LDSF-4 31/01-2017 316L 548257 LDSF LDSF-5 07/02-2017 304L 548352 LDSF LDSF-6 10/12-2016 SAF2205 547833 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-1 10/12-2016 SAF2205 547834 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-2 10/12-2016 SAF2205 547835 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-3 13/01-2017 SAF2205 548088 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-4 16/01-2017 2RE69 548099 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-5 16/01-2017 SAF2205 548102 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-6 14/03-2017 2RE69 548730 tvåslagg Al-reducerad+STENA STENA-7 26

7.1 Syrehalt Beroende på tiden för skänkugnsbehandlingen togs vanligtvis tre eller fem prover per charge. Dessa har fått benämningen P1-P5. 7.1.1 Översikt En översikt på resultatet från syreanalysen kan ses i nedanstående låddiagram. Varje slaggtyp som har utvärderats presenteras bredvid den försöksgrupp som används för referens. Värdena för syrehaltena har tagits bort av sekretesskäl. Y-axlarna har dock skalats så att de är samma för varje slaggtyp som utvärderas och sin respektive referensgrupp. Försöksgrupp: Ref-Si Försöksgrupp: LDSF Total syrehalt Total syrehalt P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 19: (a): Referensgruppen. (b): LDSF-slaggbildaren. Som kan ses minskar syrehalten för LDSF-slaggbildaren med en större gradient jämfört med referensgruppen vars syrehalt i stort sett förblir konstant. Linjäranpassningarna är baserad på medianerna i låddiagrammen. 27

Försöksgrupp: Ref-Si Försöksgrupp: Raff Total syrehalt Total syrehalt P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 20: (a): Referensgruppen. (b): Raffslagg. Syrehalten i de charger där raffslagg användes minskar med en större gradient jämfört med referensgruppen. Linjäranpassningarna är baserade på medianerna i låddiagrammen. 28

Försöksgrupp: Ref-Al Försöksgrupp: STENA Total syrehalt Total syrehalt P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 21: (a): Referensgruppen. (b): STENA. Syrehalten för referensgruppen där AOD-slaggen har används stiger under skänkugnsbehandlingen. I försöksgruppen STENA där en blandning av AOD-slagg och STENA-slaggbildare har använts sjunker syrehalten. linjäranpassningarna är baserade på medianerna i låddiagrammen. 7.1.2 Förändring under skänkugnsbehandling Nedan presenteras hur den totala syrehalten förändras under skänkugnsbehandlingen för varje försök. Varje försöksgrupp placeras bredvid sin respektive referensgrupp för att underlätta jämförelse. Värdena har, av sekretesskäl, normaliserats mot det första värdet under skänkugnsbehandlingen. På grund av detta börjar varje värde i varje charge på ett. De relativa förändringarna är de relevanta i undersökningen och kan ses i diagrammen. 29

Total syrehalt [normaliserad] 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Försöksgrupp: Ref-Si Ref-Si-1 Ref-Si-2 Ref-Si-3 Ref-Si-4 Ref-Si-5 Ref-Si-6 Total syrehalt [normaliserad] 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Försöksgrupp: LDSF LDSF-1 LDSF-2 LDSF-3 LDSF-4 LDSF-5 LDSF-6 0.4 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tid [min] (a) 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tid [min] (b) Figur 22: (a): Referensgruppen (b) LDSF. Båda grupperna uppvisar liknande variationer i syrehalt under skänkugnsbehandlingen. Huvuddelen av referenschargerna ligger dock konstant kring 1, medan huvuddelen av LDSF försöken tycks sjunka och stabiliseras vid ca 0.8. 30

Total syrehalt [normaliserad] 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Försöksgrupp: Ref-Si Ref-Si-1 Ref-Si-2 Ref-Si-3 Ref-Si-4 Ref-Si-5 Ref-Si-6 Total syrehalt [normaliserad] 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Försöksgrupp: Raff Raff-1 Raff-2 Raff-3 Raff-4 Raff-5 Raff-6 0.4 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tid [min] (a) 0.2 0 50 100 150 200 250 300 Tid [min] (b) Figur 23: (a): Referensgruppen. (b): Raffslagg. Förutom försöket Raff-6 slutar alla försök där raffslagg har använts på lägre syrevärden än vad de började vid och når i genomsnitt ett värde på ca 0.5. huvuddelen av referenschargerna ligger relativt konstant kring 1. 31

Total syrehalt [normaliserad] 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 Försöksgrupp: Ref-Al Ref-Al-1 Ref-Al-2 Ref-Al-3 Ref-Al-4 Ref-Al-5 Ref-Al-6 Total syrehalt [normaliserad] 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 Försöksgrupp: STENA STENA-1 STENA-2 STENA-3 STENA-4 STENA-5 STENA-6 STENA-7 0.8 0.8 0.6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tid [min] (a) 0.6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tid [min] (b) Figur 24: (a) Referensgruppen. (b): STENA. Syrehalten för huvuddelen av försöken i STENA-gruppen minskar till värden kring eller under 1 under skänkugnsbehandlingen. Syrehalten för huvuddelen av försöken i referensgruppen tycks öka och sluta på värden kring eller över 1. Referensgruppen uppvisar även en större spridning på syrehaltena jämfört med STENAgruppen där en blandning av AOD-slagg och STENA-slaggbildare har använts. 7.1.3 Differens i syrehalt mellan början och slutet För att tydliggöra exakt hur mycket syrehalten sjunker för alla försöken har en differens räknats ut. Den totala syrehalten i slutet av skänkugnsbehandlingen har subtraherats från den totala syrehalten i början. Ett positivt värde innebär därför att syrehalten har sjunkit motsvarande beloppet på värdet. Ett negativt värde innebär att syrehalten har ökat motsvarande beloppet på värdet. 32

Figur 25: Differenser i total syrehalt mellan början och slutet av skänkugnsbehandlingen. Huvudsakligen minskar den totala syrehalten mer vid användning av de syntetiska slaggbildarna jämfört med de respektive referensgrupperna. 7.2 Icke-metalliska inneslutningar De inneslutningar som hittades var nästan helt uteslutande oxider och oxisulfider. Resultatet från dessa kommer att presenteras. Under skänkugnsbehandlingen togs prover på inneslutningar varje gång prov på syrehalten togs. Dessa prov har betecknats P1-P5. 7.2.1 Översikt Nedan presenteras en översikt hur antalet inneslutningar förändras under skänkugnsbehandlingen. Varje punkt är summan av de oxidiska och oxisulfidiska inneslutningarna som hittades i lollipop-provet med hjälp av SEM/EDS och inca feature. 33

Försöksgrupp: Ref-Si Försöksgrupp: LDSF Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 26: (a): Referensgruppen. (b): LDSF-slaggbildaren. Mängden inneslutningar förändras ungefär på samma sätt för referensgruppen som för LDSFslaggbildaren. Det finns dock viss antydan till att inneslutningsmängden för LDSF-slaggbildaren förblir konstant låg medan referensgruppen har vissa punkter med höga värden. Linjäranpassningen är baserad på medianerna i låddiagrammen. 34

Försöksgrupp: Ref-Si Försöksgrupp: Raff Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 27: (a): Referensgruppen. (b): Raffslagg. Både raffslaggen och referensgruppen uppvisar en liknande variation i inneslutningsmängd. Båda grupperna börjar och slutar på relativt lika stora värden och har vissa punkter med höga värden där i mellan. Linjäranpassningarna är baserade på medianerna i låddiagrammen. 35

Försöksgrupp: Ref-Al Försöksgrupp: STENA Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] Icke-metalliska inneslutningar [antal/cm 2 ] P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (a) P1 P2 P3 P4 P5 Provbenämning (b) Figur 28: (a): Referensgruppen. (b): STENA. Båda grupperna uppvisar ett ökande antal inneslutningar under skänkugnsbehandlingen. Dock ökar inneslutningsmänden för referensgruppen med en större gradient jämfört med försöksgruppen STENA där en blandning av AOD-slaggen och STENAslaggbildaren har använts. Det är också tydligt att referensgruppen uppvisar en större variation i inneslutningsmäng jämfört med STENA. Linjäranpassningarna är baserade på medianerna i låddiagrammen. 7.2.2 Förändring under skänkugnsbehandling Nedan presenteras hur inneslutningsmängden förändras under skänkugnsbehandlingen för alla försöken. Försöksgrupperna har placerats bredvid sina respektive referensgrupper för att underlätta jämförelse. Alla värden har, av sekretesskäl, blivit normaliserade mot det första värdet i varje försök. Alla försök börjar därför på ett. Det är de relativa förändringarna som är relevanta. Dessa kan ses i diagrammen. 36

Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 8 7 6 5 4 3 2 1 Försöksgrupp: Ref-Si Ref-Si-1 Ref-Si-2 Ref-Si-3 Ref-Si-4 Ref-Si-5 Ref-Si-6 Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 8 7 6 5 4 3 2 1 Försöksgrupp: LDSF LDSF-1 LDSF-2 LDSF-3 LDSF-4 LDSF-5 LDSF-6 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tid [min] (a) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tid [min] (b) Figur 29: (a): Referensgruppen. (b): LDSF-slaggbildaren. Förutom ett försök i referensgruppen med avvikande höga värden är förändringarna i inneslutningsmängden relativt lika för båda grupperna. Antalet inneslutningar förblir relativt konstant under skänkugnsbehandlingen och slutar kring samma värden som de började på. 37

Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 8 7 6 5 4 3 2 1 Försöksgrupp: Ref-Si Ref-Si-1 Ref-Si-2 Ref-Si-3 Ref-Si-4 Ref-Si-5 Ref-Si-6 Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 8 7 6 5 4 3 2 1 Försöksgrupp: Raff Raff-1 Raff-2 Raff-3 Raff-4 Raff-5 Raff-6 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tid [min] (a) 0 0 50 100 150 200 250 300 Tid [min] (b) Figur 30: (a): referensgruppen. (b): Raffslagg. Båda grupperna har ett försök med avvikande höga värden. Utöver detta förblir inneslutningsmängden relativt konstant under skänkugnsbehandlingen för båda grupperna. 38

Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 Försöksgrupp: Ref-Al Ref-Al-1 Ref-Al-2 Ref-Al-3 Ref-Al-4 Ref-Al-5 Ref-Al-6 Antal icke-metalliska inneslutningar [normaliserad] 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 Försöksgrupp: STENA STENA-1 STENA-2 STENA-3 STENA-4 STENA-5 STENA-6 STENA-7 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Tid [min] (a) 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Tid [min] (b) Figur 31: (a): Referensgruppen. (b): STENA. Inneslutningsmängden ökar kraftigt i början av skänkugnsbehandligen för alla försöken i referensgruppen. I vissa av försöken börjar antalet inneslutningar sjunka ungefär halvvägs in i processen. Alla försöken i referensgruppen har dock klart mer inneslutningar i slutet av processen jämfört med vad de har i början. I försöksgruppen STENA kan det också ses att inneslutningsmängden ökar under skänkugnsbehandligen för vissa av chargerna. Dock är denna ökning betydligt lägre jämfört med referensgruppen. Inneslutningsmängden i försöksgruppen STE- NA är huvudsakligen lika stor eller större i slutet av processen jämfört med i början. Dock är inneslutningsmängden i slutet av skänkugnsbehandlingen betydligt lägre jämfört med referensgruppen. 7.2.3 Differens i inneslutningsmängd mellan början och slutet För att tydliggöra exakt hur mycket inneslutningsmängden sjunker eller ökar under skänkugnsbehandlngen har en differens räknats ut. Inneslutningsmängden i slutet av skänkugnsbehandlingen har subtraherats från inneslutningsmängden i början. Detta innebär att ett positivt värde motsvarar en minskning i inneslutningsmängd motsvarande beloppet på värdet. Ett negativt värde innebär en ökning i inneslutningsmängd motsvarande beloppet på värdet. 39

Figur 32: Differensen i inneslutningsmängd mellan början och slutet av skänkugnsbehandlingen. Förutom försöksgruppen LDSF sjunker huvudsaklighen inneslutningsmängden mer eller ökar mindre jämfört med sina respektive referensgrupper. 7.2.4 Sammansättning Hur sammansättningen på inneslutningarna förändras under skänkugnsbehandlingen kan ses nedan. En representativ charge per försöksgrupp har valts ut. Oxiderna presenteras i två olika diagram per försöksbenämning med lämpliga föreningar på axlarna. 40

(a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 33: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Ref-Si-6 (a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 34: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Ref-Si-6 41

(a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 35: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Ref-Al-3 (a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 36: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Ref-Al-3 42

(a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 37: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Raff-2 (a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 38: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: Raff-2 43

(a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 39: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: LDSF-4 (a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 40: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: LDSF-4 44

(a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 41: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: STENA-4 (a) Början (b) Mitten (c) Slutet Figur 42: Sammansättningen på de oxidiska inneslutningarna i början, mitten och slutet på skänkugnsbehandlingen. Försöksbenämning: STENA-4 45

7.3 Slagghöjd För varje försök i försöksgrupperna Raff, LDSF, och STENA mättes slagghöjden efter den syntetiska slaggbildaren hade tillsatts och smält in. Utöver detta togs även slaggprov på kvarvarande slagg från AOD:n innan slaggbildaren tillsattes, samt på slaggen efter det att slaggbildaren hade tillsatts och smält in. Med denna information kunde den teoretiska massan slagg räknas ut med hjälp av massbalans. Denna massa räknades sedan om till en volym med hjälp av slaggdensiteten som antogs vara konstant för alla slagger. Slaggdensiteten som användes var 3000 kg/m 3 Tillsammans med skänkdimensionerna kunde då den teoretiska slagghöjden räknas ut. Nedan presenteras resultaten från dessa två metoder att mäta slagghöjden. Figur 43: Uppmätt slagghöjd med hjälp av armeringsjärn jämfört med slagghöjd teoretiskt framräknad med massbalans. Denna jämförelse var inte möjlig för alla försöken då slaggen i vissa fall inte smälte ordentligt. Det förekom även att slaggen för stelnad för att möjliggöra mätning av slagghöjd. Som kan ses är det relativt bra överensstämmelse mellan de två olika metoderna att mäta slagghöjd. I 7 av försöken ger det uppmätta värdet en högre slagghöjd och i 7 av försöken ger det framräknade värdet en högre slagghöjd. Medelvärdet för den uppmätta slagghöjden är 6.73 cm och medelvärdet för den framräknade slagghöjden är 6.44 cm. 46

7.4 Slaggmassa Vid användandet av STENA-slaggbildaren var det önskat att använda lika mycket AOD-slagg som slaggbildare. För att åstadkomma detta slaggades AOD-slaggen av fram tills att den kvarvarande slaggen uppskattades till 250 kg. Därefter tillsattes lika mycket STENA-slaggbildare. Med hjälp av slaggprover räknades sedan den teoretiska massan AOD-slagg ut. Den uppskattade massan AOD-slagg, den uträknade massan AOD-slagg samt den tillsatta massan STENA-slaggbildare kan ses nedan. Tabell 11: Jämförelse mellan uppskattad slaggmassa och uträknad slaggmassa Försök Tillsatt STENA (kg) Uppskattad AOD-slagg (kg) Uträknad AOD-slagg (kg) STENA-1 250 250 927 STENA-2 300 250 854 STENA-3 200 250 319 STENA-4 250 200 790 STENA-5 250 200 1681 STENA-6 250 250 618 STENA-7 500 250 873 Huvudsakligen är massan AOD-slagg flera hundra kg för hög. Närmast en blandning på lika mycket AOD-slagg som STENA-slaggbildare kommer försöken STENA-3 samt STENA-7. 7.5 Korrelation mellan syrehalt och inneslutningsmängd Mätning av den totala syrehalten är en betydligt snabbare process jämfört med en analys av inneslutningsmängden. Det är därför önskvärt att kunna uppskatta de oxidiska och oxisulfidiska inneslutningarna med hjälp av syrehalten. För att undersöka om detta är möjligt har en korrelation mellan inneslutningsmängd och total syrehalt försökts hittas. Resultatet från denna undersökning kan ses nedan. 47

Relativ förändring i total syrehalt och inneslutningsmängd 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 Försöksbenämning: Ref-Si-1 0.6 0 10 20 30 40 50 60 70 (a) Tid [min] total syrehalt inneslutningsmängd Relativ förändring i total syrehalt och inneslutningsmängd 1.2 1.15 1.1 1.05 1 Försöksbenämning: Ref-Si-5 0.95 0 5 10 15 20 25 30 Tid [min] (b) total syrehalt inneslutningsmängd Figur 44: (a): Ref-Si-1. (b): Ref-Si-5. Relativa förändringar i syrehalt och inneslutningsmängd under skänkugnsbehandling. 48

Relativ förändring i total syrehalt och inneslutningsmängd 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 Försöksbenämning: STENA-6 0.8 0 5 10 15 20 25 30 35 (a) Tid [min] total syrehalt inneslutningsmängd Relativ förändring i total syrehalt och inneslutningsmängd 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 Försöksbenämning: LDSF-3 0.75 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tid [min] (b) total syrehalt inneslutningsmängd Figur 45: (a): STENA-6. (b): LDSF-3. Relativa förändringar i syrehalt och inneslutningsmängd under skänkugnsbehandling. Fyra representativa försök har valts ut. Värdena har, av sekretesskäl, normaliserats. I figur 44 har två försök valts ut vars relativa förändringar i syrehalt och inneslutningsmängd har tämligen bra överensstämmelse. I figur 45 har två försök valts ut där de relativa förändringarna i syrehalt och inneslutningsmängd inte följer samma trender. Dessa resultat är typiska för alla genomförda försök. Vissa pekar på en korrelation medan vissa pekar på motsatsen. En möjlig korrelation mellan den totala syrehalten och inneslutningsmängden har undersökts vidare med hjälp av sambandsdiagram. Värdena på axlarna har, av sekretesskäl, tagits bort. De kiselreducerade och aluminiumreducerade stålsorterna presenteras separat. 49

Al-reducerade stål Si-reducerade stål Total syrehalt Total syrehalt inneslutningsmängd inneslutningsmängd (a) (b) Figur 46: Sambandsdiagram för (a): Aluminiumreducerade stålsorter. (b): Kiselreducerade stålsorter. Som kan ses finns det ej en tydlig korrelation mellan den totala syrehalten och inneslutningsmängden. Linjäranpassningen i figur 46(a) förklarar enbart 1.3% av variationen i datan. Linjäranpassningen i figur 46(b) förklarar enbart 0.016% av variationen i datan. 7.6 Jämförelse med historisk data För att kontrollera att de syntetiska slaggbildarna ej förvärrade syrehalterna eller mängden icke-metalliska inneslutningar i det färdiga, valsade, materialet har prover på detta material tagits. Både prover för syrehalt och mätning av icke-metalliska inneslutningar har tagits i ytan, längst radien samt i mitten av materialet. Syrehalten mättes sedan med förbränningsanalys, och mängden icke-metalliska inneslutningar mättes med ljusoptiskt mikroskop(lom) 7.6.1 Syrehalt Syrehalterna för ytan, radien och mitten på det valsade materialet beräknades till ett medelvärde. Resultaten från detta medelvärde jämfördes 50

sedan med historisk data från och med år 2013. De exakta värdena har avlägsnats på grund av sekretesskäl. Resultatet kan ses nedan. Figur 47: Kiselreducerade stålsorter. Jämförelse av syrehalt med historisk data Figur 48: Aluminiumreducerade stålsorter. Jämförelse av syrehalt med historisk data De kiselreducerade stålsorterna har jämförts med historisk data från stålsorten 304L. De aluminiumreducerade stålsorterna har jämförts med historisk data från stålsorten SAF2507. Det har gjorts två försök på den aluminiumreducerade stålsorten 2RE69. Syrehalterna är generellt betydligt lägre för denna stålsort. Dessa värden kan ej jämföras med SAF2507 och 51

har därför uteslutits ur jämförelsen. Som kan ses finns ej en betydlig skillnad mellan den historiska datan, de syntetiska slaggbildarna, samt värdena från referensgrupperna Ref-Al och Ref-Si. 7.6.2 Icke-metalliska inneslutningar På det valsade materialet har två prover tagits i mitten, längst radien samt i ytan. Dessa har sedan undersökts i LOM. Resultatet presenteras som ett medelvärde av de inneslutningar som har hittats. Dessa jämförs sedan med historisk data från år 2016. Figur 49: Kiselreducerade stålsorter. Jämförelse av inneslutningar med historisk data De kiselreducerade stålsorterna har huvudsakligen jämförts med historisk data från stålsorten 304L. Det går ej att urskilja en betydande skillnad mellan att använda de syntetiska slaggbildarna jämfört med den historiska datan. 8 Diskussion 8.1 Total syrehalt Generellt har försöksgrupperna LDSF och Raff högre syrehalt initialt jämfört med deras referensgrupp. Detta beror, med största sannolikhet, på att AOD-slaggen avlägsnades för dessa försök. När en skänk slaggas av görs detta genom att skänken lyfts upp och lutas med hjälp av travers. Toppslaggen dras sedan av stålet med hjälp av en robotarm. Detta 52

exponerar stålet för den omgivande atmosfären vilket orsakar reoxidation. Nästan all AOD-slagg avlägsnades innan LDSF-slaggbildaren eller raffslaggen tillsattes. För referensgruppen avlägsnades enbart tillräckligt mycket AOD-slagg som ansågs nödvändigt av operatörerna. På grund av detta reoxiderade stålet i försöksgrupperna LDSF, och Raff mer jämfört med sin referensgrupp. De har därför, huvudsakligen, en högre syrehalt i början av processen. När STENA-slaggbildaren användes avlägsnades inte lika mycket AOD-slagg jämfört med försöksgrupperna LDSF och Raff. Detta eftersom STENA-slaggbildaren användes i kombination med AOD-slaggen. På grund av detta har försöksgruppen STENA relativt lika initiala syrevärden jämfört med sin referensgrupp. Den totala syrehalten sjunker huvudsakligen mer för alla syntetiska slaggbildare jämfört med sina respektive referensgrupper. Detta beror sannolikt på att slaggbildarna har en liqvidus-temperatur som är lägre än liqvidus-temperaturena för referensgrupperna där AOD-slaggen användes. De syntetiska slaggbildarna som utvärderades flyter ut bättre och skyddar stålet mer effektivt från den omgivande atmosfären jämfört med referensgrupperna. När enbart AOD-slagg användes fanns ofta ett så kallat open-eye. Detta är en öppning i slagglagret där stålet är exponerat för atmosfären. Det bildades när skänken kom in till skänkugnen och den elektromagnetiska omrörningen började förskjuta slagglagret åt sidorna av skänken. Därefter stelnade slaggen och kunde därför inte flyta tillbaka. Det förekom även att AOD-slaggen skapade ett tjockt och stelnat slagglager ovanpå stålet vilket försvårade tillsatser av legeringsämnen. Om så var fallet var operatörena tvungna att slå hål på slaggen och manuellt skapa ett open-eye med syfte att tillsätta legeringsämnen till stålet. En jämförelse mellan hur AOD-slaggen kunde se ut, och hur en syntetisk slaggbildare kunde se ut presenteras nedan. 53

(a) (b) Figur 50: En jämförelse hur slaggen kan se ut. (a): Försöksbenämning Ref- Si-4. (b): Försöksbenämning STENA-1 I figur 50(a) kan ett open-eye ses där stålet är exponerat för den omgivande atmosfären. Bredvid detta open-eye finns ett tjockt lager med stelnad AOD-slagg. I 50(b) Har en kombination av AOD-slagg och STENA-slaggbildare använts. Som kan ses är stålet helt täckt av slagglagret och skyddar därför mot att syre ska få kontakt med stålet. 8.2 Icke-metalliska inneslutningar Inneslutningsmängden minskar huvudsakligen mer för de syntetiska slaggbildarna jämfört med sina respektive referensgrupper. Förändringen i inneslutningsmängd är dock ej lika markant positiv som förändringen i syrehalt. Detta beror sannolikt på att inneslutningar större än 2.8µm analyserades, vilket endast är en delmängd av alla befintliga inneslutningar. Resultaten från försöksgruppen LDSF uppvisar ej en markant förbättring i inneslutningsmängd relativt sin referensgrupp. I snitt minskar inneslutningsmängden för försöksgruppen LDSF med 12 inneslutningar/cm 2 jämfört med referensgruppen Ref-Si som i snitt minskar med 2 inneslutningar/cm 2. För de aluminiumreducerade stålsorterna ökar inneslutningsmängden både för referensgruppen Ref-Al och för försöksgruppen STENA. Det är, dock, tydligt att mängden inneslutningar ökar betydligt mindre för de försök där 54

STENA-slaggbildaren har använts i kombination med AOD-slaggen. I snitt ökar inneslutningsmängden för försöksgruppen STENA med 38 inneslutningar/cm 2. Detta är en markant förbättring jämfört med referensgruppen Ref-Al där mängden inneslutningar i snitt ökar med 156 inneslutningar/cm 2. För att en inneslutning ska avlägsnas från smältan till slaggen krävs det först att den transporteras dit via omrörning eller flotation. Därefter måste den bryta ytspänningen för det smälta stålet och sedan separeras från smältan in i slagg-stål gränssnittet. Slutligen måste inneslutningen absorberas in i slaggfasen för att avlägsnas helt. För att detta ska fungera på ett optimalt sätt bör slaggen vara flytande och täcka hela ytan av det smälta stålet. Detta är huvudsakligen ej fallet för referensgrupperna där AOD-slagg har använts. I figur 50(a) är det tydligt att AOD-slaggen är stel och ej täcker hela stålytan. Detta minskar arean för slagg-stål gränssnittet där inneslutningar har möjlighet att separeras från smältan. Vidare har en stor del av AOD-slaggen stelnat vilket minskar volymen i vilken inneslutningar kan absorberas in. De syntetiska slaggbildarna flyter huvudsakligen ut bättre och täcker större delen av stålet. Det är dock ej helt oproblematiskt att tillsätta slaggbildare innan skänkugnsbehandling. LDSF-slaggbildaren är i form av ett fint pulver. När det tillsätts till smältan vill det gärna bilda stora klumpar. Dessa kan vara svåra att smälta trots användning av grafitelektroderna. Detta innebär att en stor del av LDSF-slaggbildaren förblir stelnad i klumpform och bidrar därför ej till reningen av stålet. För att komma runt detta problem tillsattes en mindre mängd LDSF-slaggbildare än önskat. Klumpbildningen minskade då, men försvann inte helt. Raffslaggen, som är i grusform, är enklare att smälta jämfört med LDSF-slaggbildaren. På grund av detta tillsattes 500 kg raffslagg jämfört med LDSF-slaggbildaren där 300 kg tillsattes. Detta är sannolikt anledningen till att inneslutningsmängen minskar mer för raffslaggen jämfört med LDSF-slaggbildaren. Sämst avskiljning av inneslutningar har referensförsöken för de aluminiumreducerade stålsorterna där tvåslaggsförfarande har använts. Denna situation förbättras avsevärt vid användning av STENA-slaggbildaren i kombination med AOD-slaggen. Dock ökar inneslutningsmängden även för alla försöken i denna grupp. Enligt figur 5 bör en blandning på lika stor massa AOD-slagg och STENA-slaggbildare skapa en slagg som är 90% smält vid ca 1300 C. Detta är ca 200 C lägre än vad temperaturen i skänkugnen är i slutet av processen. På grund av svårigheter med att uppskatta mängden slagg i skänken så åstadkoms 55

aldrig en blandning av lika stor massa AOD-slagg och STENA-slaggbildare. I snitt användes 580 kg för mycket AOD-slagg. Trots detta förbättrades flytbarheten för slaggen i försöksgruppen STENA och slaggen täckte stålet i större utsträckning jämfört med referensförsöken. Huvudsakligen tillsattes 250 kg STENA-slaggbildare till AOD-slaggen. Efter massbalansberäkningar konstaterades det att denna mängd var för låg. Därför gjordes ett försök där 500 kg STENA-slaggbildare tillsattes. Detta försök var STENA-7. Med hjälp av massbalans konstaterades det att massan AOD-slagg som användes i detta försök var 873 kg. Detta är nära en blandning lika massa AOD-slagg och STENA-slaggbildare. Trots detta sågs ingen avsevärd förbättring i detta försök jämfört med övriga i samma försöksgrupp. Vid tillsats av STENA-slaggbildaren i försök STENA-7 la sig mycket av slaggbildaren ovanpå den stela AOD-slaggen. En sammansmältning av de två slaggerna visade sig då vara problematisk. STENA-slaggbildaren och AOD-slaggen smälte ihop i närheten av grafitelektroderna men förblev separerade i fast fas i stora delar av skänken. Den totala massan slagg blev dessutom större än vad som vanligtvis användes. Det tjocka och stela slagglagret fungerade då isolerande för stålet och avsvalningshastigheten blev så låg att ordinarie gjuttid ej gick att hålla. Många inneslutningar har högre densitet än slaggen[17]. Dessa absorberas inte in i slaggfasen utan blir liggande i slagg-stål gränssnittet. Vid för kraftig omrörning kan dessa inneslutningar återintroduceras in i smältan. För att undersöka om det finns en tydlig koppling mellan omrörningintensitet och förändring i inneslutningsmängd jämfördes dessa två med varandra. Två av dessa jämförelser kan ses nedan. 56

1 Försöksbenämning: Ref-Si-3 inneslutningsmängd EMS[A] 1200 1100 1.5 Försöksbenämning: LDSF-6 inneslutningsmängd EMS[A] 1200 1100 Inneslutningsmängd [normaliserad] 0.5 1000 900 800 700 600 500 400 300 Strömstyrka EMS [A] Inneslutningsmängd [normaliserad] 1 1000 900 800 700 600 500 400 300 Strömstyrka EMS [A] 200 200 0 100 0 10 20 30 40 50 60 Tid [min] (a) 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 100 80 Tid [min] (b) Figur 51: (a): Ref-Si-3. (b): LDSF-6. Jämförelse mellan omrörninsintensitet och förändring i inneslutningsmängd. Dessa två försök valdes ut eftersom de är representativa för övriga försök. Det finns ingen stark koppling mellan omrörningsintensitet och förändring i inneslutningsmängd. Huvudsakligen uppvisar de två helt olika trender. Detta kan ses i figur 51(b). I vissa försök kunde dock ett svagt samband urskiljas. När omrörningsintensiteten var på maximal styrka under en längre tid ökade också inneslutningsmängden. Detta kan ses i figur 51(a). Att förändringarna i omrörningsintensitet och inneslutningsmängd följer samma trender under skänkugnsbehandlingen var dock mycket sällsynt. Det finns för lite data för att kunna påvisa en korrelation. Detta innebär att en möjlig korrelation kan lika gärna vara slumpmässig. Det är dock att rekommendera att inte röra om i stålet mer än nödvändigt för att åstadkomma rätt gjuttemperatur. 8.3 Slagghöjd och slaggmassa Att mäta massan slagg i skänken under skänkugnsbehandling på ett noggrant sätt är problematiskt. I denna rapport har två metoder använts. Om slaggen är helt smält och homogent distribuerad över stålet har den formen av en cylinder. Höjden på denna cylinder mättes med ett armeringsjärn under skänkugnsbehandlingen. Med hjälp av slaggdensiteten kunde då slaggmassan räknas ut. Detta var den första metoden. Den andra 57

var med hjälp av massbalans. Genom att ta prover på kvarvarande AOD-slagg och sedan även på slaggen efter att den syntetiska slaggbildaren hade tillsatts kunde slaggmassan räknas ut. Med hjälp av densiteten kunde massan konverteras till en volym i form av en cylinder. Därefter kunde höjden på cylindern tas fram och jämföras med resultaten från den första metoden. För att veta hur mycket STENA-slaggbildare som bör tillsättas är det önskvärt att ha en pålitlig metod för mätning av slaggmassan i skänken under skänkugnsbehandlingen. Det går ej att se en tydlig trend i vilket av sätten som ger störst slagghöjd. Figur 43 visar att båda metoderna ger en högre slagghöjd i hälften av försöken vardera. Det är dock tydligt att oavsett vilken metod som används resulterar det i relativt lika slagghöjder. I snitt skiljer det bara 0.3 cm mellan de två metoderna. För att exemplifiera inverkan av mätosäkerheter har en jämförelse gjorts för försök STENA-1. Efter att STENA-slaggbildaren hade tillsatts mättes slagghöjden med armeringsjärn. Denna var 7 cm och motsvarar en slaggmassa på 1089 kg. Med hjälp av sammansättningarna på AOD-slaggen och AOD-STENA blandningen räknades motsvarande massa ut till 1226 kg. Detta motsvarar en slagghöjd på ca 8 cm. Varje centimeter mätfel som erhålls vid mätning av slagghöjden motsvarar en differens i slaggmassa på 156 kg. Om massbalansen utförs med mätosäkerheterna inräknade motsvarar detta en differens på 73 kg. Skillnaden i slagghöjd för denna differens är försumbar. Att uppskatta slaggmassan med hjälp av massbalans bör anses som den mer noggranna metoden. Båda metoderna innehåller mätfel. Detta fel är dock lägst och mest systematiskt vid användandet av massbalans. När slagghöjden mäts med armeringsjärn beror resultatet på hur väl slaggen har smält. Om slaggen är helt smält och homogent distribuerad ovanpå stålet kan denna metod anses ha tillfredsställande precision. Sådan är dock sällan situationen. Slaggen är ofta delvis smält och delvis stelnad. vidare kan den vara så stelnad att den inte går att penetrera med ett armeringsjärn. Detta innebär att mätosäkerheten blir stor och att felet ej blir systematiskt. På grund av praktiska skäl är det dock ej möjligt att räkna ut slaggmassan med hjälp av massbalans kontinuerligt under skänkungsbehandlingen. Detta eftersom slaggsammansättningarna måste analyseras. I denna rapport visar resultaten på att skillnaden i beräkningsmetod ej är stor. Dock är resultaten baserade på begränsad data. Det är 58

rekommenderat att göra fler mätningar och undersöka skillnaden mellan de två beräkningsmetoderna. Detta för att kunna fastställa en differens. Denna differens kan sedan adderas till slagghöjden som mäts med armeringsjärn för att erhålla ett noggrannare värde. 8.4 Korrelation mellan syrehalt och inneslutningsmängd Det är tidskrävande att analysera inneslutningar i ett lollipop prov. På grund av detta skulle det vara effektivt att uppskatta mängden oxidiska och oxisulfidiska inneslutningar med hjälp av den totala syrehalten. Därför har en korrelation mellan dessa två undersökts. Sambandsdiagrammen i figur 46 visar att det ej finns en sådan korrelation. Detta beror sannolikt på ett antal faktorer. De inneslutningar som analyseras ligger i ytan av lollipop provet. Denna inneslutningsbild måste nödvändigtvis inte vara representativ för hela provet. Dessutom måste inte inneslutningsbilden i lollipop provet vara representativt för hela chargen. Likadant är det för syrehalten. Denna mäts enbart i en mycket liten del av lollipop provet. Denna del måste inte vara representativt för hela provet, och lollipop provet måste nödvändigtvis inte vara representativt för hela chargen. Vidare kommer stålet i lollipop proven att stelna med en mycket hög avsvalningshastighet. Detta gör att den del syre som finns inlöst i stålet skiljs ut i form av mycket små inneslutningar. Dessa kan vara för små för att ingå i det storleksintervall som undersöktes. Den inlösta syrehalten kan beräknas. Den kan sedan subtraheras från den totala syrehalten. Teoretiskt bör resultatet motsvara den del syre som existerar som oxidiska och oxisulfidiska inneslutningar. Detta utfördes för det första provet och för det sista provet i varje försök. Därefter beräknades differensen mellan dem. Erhållet är därmed produktionen av inneslutningar på grund av att lösligheten för syre i stålet sjunker i relation till hur väl avskiljningen av dessa inneslutningar till slaggen är. För att åskådligöra detta har en exempelgraf gjorts. Denna kan ses nedan. 59

Figur 52: Exempelgraf: Det kan ses att den del syre som är inlöst sjunker och går över till att vara bundet som icke-metalliska inneslutningar. Om enbart den totala syrehalten analyseras är resultatet positivt eftersom den sjunker. Lösligheten för syre i stålet sjunker också. Detta eftersom temperaturen sjunker och sammansättningen förändras. Om lösligheten för syre subtraheras från den totala syrehalten ser situationen dock annorlunda ut. Syret bundet som inneslutningar ökar. Hur mycket denna andel syre förändras under skänkugnsbehandlingen för varje försök kan ses nedan. En negativ differens innebär att denna syrehalt har ökat. En positiv differens innebär att denna syrehalt har minskar. Alla värden räknas i ppm. Figur 53: Förändring i syrehalt bunden som oxidiska och oxisulfidiska inneslutningar under skänkugnsbehandling Denna figur säger att lösligheten för syre i stålet går ned under skänkugnsbehandlingen. Syret övergår till att skapa oxidiska och 60

oxisulfidiska inneslutningar. Om differensen är negativ innebär detta att produktionen av dessa inneslutningar är större än avskiljningen. 8.5 Sammansättning av icke-metalliska inneslutningar I början av skänkugnsbehandlingen består inneslutningarna huvudsakligen av CaO, SiO 2, Al 2 O 3, och MgO. Både för de aluminiumreducerade-och kiselreducerade stålsorterna. Andelen SiO 2 är dock större för de kiselreducerade stålsorterna. Vid deoxidation med kisel tillsätts ferrokisel, vilket innehåller en viss del aluminium och kalcium. Detta är sannolikt anledningen till att Al 2 O 3 och CaO existerar även i de kiselreducerade stålsorterna. Under skänkugnsbehandlingen rör sig inneslutningssammansättningarna mot Al 2 O 3 -hörnet. I slutet av skänkugnsbehandlingen består inneslutningarna huvudsakligen av Al 2 O 3. Detta stämmer bra överens med simuleringarna i Thermo-Calc. Figur 7 och figur 8 förutsäger att de inneslutningar som bildas vid avsvalning kommer att vara av typen Al 2 O 3. Både för det kiselreducerade stålet 316L, och för det aluminiumreducerade stålet SAF2205. För de kiselreducerade stålen med låg aluminiumhalt förutsäger figur 7 att spinel inneslutningar bör utskiljas. Detta kan inte bekräftas på grund av bristande data. Dock har övriga mätningar visat stor överensstämmelse med simuleringarna i Thermo-Calc. Tre exempel på inneslutningar, deras storlek samt sammansättning presenteras nedan. 61

Figur 54: Elektronbilden av en icke-metallisk inneslutning. Som kan ses består inneslutningen huvudsakligen av Al, Ca och Si. Det går även att urskilja en dendritstruktur som sannolikt består av Ti. (a) Al (b) Ca (c) Si (d) Ti Figur 55: Sammansättningen för ovanstående icke-metalliska inneslutning. Al, Ca och Si existerar sannolikt som oxider medan dendritstrukturen sannolikt består av Ti. 62

Figur 56: Elektronbilden av en icke-metallisk inneslutning. Som kan ses består inneslutningen huvudsakligen av Al, Si, och Ca. Det går även att urskilja vissa områden av Mg. (a) Al (b) Ca (c) Si (d) Mg Figur 57: Sammansättningen för ovanstående icke-metalliska inneslutning. Som kan ses består den av Al, Si, Ca och Mg som som sannolikt existerar som oxider. Försök har gjorts för att hitta sammansättningen för det stora området i mitten. Dessa har dock ej resulterat i något konkret. 63

Figur 58: Elektronbilden av en icke-metallisk inneslutning. Som kan ses består den av Al, Ca och Mg. Två stora områden består av Fe i relativt lika stor utsträckning som den omkringliggande matrisen. (a) Al (b) Ca (c) Mg (d) Fe Figur 59: Sammansättningen för ovanstående icke-metalliska inneslutning. Som kan ses består den av Al, Ca och Mg som sannolikt existerar som oxider. De områden som består av Fe har sannolikt liknande sammansättning som den omkringliggande matrisen. 64