PROJEKTSAMMANFATTNING Processindustriell IT och Automation hösten 2014 Projektakronym REKIS Projektnamn Realtidsåterkoppling av kemisk information i ståltillverkning Projektfakta Sökt belopp från VINNOVA: 254 180 kr Sökande organisation: Acreo Swedish ICT Projektledare: Magnus Lindblom Projektperiod: 2014-11-15 2015-04-14 1 (5) 1 Sammanfattning Projektets idé är att utreda möjligheterna till beröringsfri kemisk analys i realtid i ståltillverkningsprocesser med huvudsaklig inriktning på Scanarc Plasma Technologies process, IronArc. Förstudien skall underlätta framtida FoU-projekt för förbättrad styrning av ståltillverkningsprocesser genom: Kunskap om hur kemisk information ska behandlas och återkopplas för effektiv processtyrning. Bättre förståelse för varifrån och i vilket skede data skall insamlas Att utgöra underlag för teknikval. Projekt baserade på förstudien kan förmodas öka effektivisering och främja innovationsutvecklingen genom: Bättre förutsättningar för processåterkoppling från metallsmältor och slagg. Bättre förståelse för kinetiken för järnoxidreduktion. Effektivare användning av kol i IronArc processen. Effektivare användning av krom i ljusbågugnar. Bättre förståelse för föroreningars närvaro i olika processkeden och därmed bättre förutsättningar för metallåtervinning. De ingående parterna i förstudien är ScanArc Plasma Technologies, Acreo Swedish ICT, och Fiber Optic Valley. ScanArc bidrar till projektet med sin kompetens inom ståltillverkningsprocesser och metallurgi. De bidrar även finansiellt till projektet. Acreo koordinerar projektet och bidrar med kompetens inom fysik, optiska mätmetoder och sin erfarenhet av spektrala mätningar på metallsmältor. Fiber Optic Valley kommer verka för att nyttiggöra projektresultaten genom att bygga nya partnerskap för framtida projekt. 2 Projektets bakgrund Scanarc Plasma Technologies AB är ett svenskt bolag med säte i Hofors som utvecklat en kontinuerlig ståltillverkningsprocess, IronArc, som har potential att reducera koldixiodutsläppen med upp till 50 % jämfört med en konventionell masugnsprocess. Järn och stålindustrin står idag för ca 10 % av Sveriges totala utsläpp av koldioxid
2 (5) vilket innebär att det finns en tydlig klimatmässig nyttopotential. I korthet innebär IronArc att värme tillsätts elektriskt med hjälp av ett plasma och att kol används i processen endast för reduktion av järnoxid. I en masugn används kol både för uppvärmning och reduktion. Halva mängden kol åtgår just åtgår till uppvärmning vilket inte behövs i IronArc-processen. I och med att IronArc ersätter fossila bränslen med el för att tillföra energi, har den stark potential att bidra till stålindustrins vision 2050 om energieffektivare processer, mindre fossila bränslen, mindre koldioxid och fler förnybara energikällor. En unik egenskap hos IronArc som också gör den energieffektiv är den snabba reduktionen av järnoxid till järn. Kinetiken i denna reaktion är inte välkänd och det finns därför behov av att i realtid studera den och återkoppla informationen till processen. På så vis kan man undvika att järnoxid går förlorat till slaggen samtidigt som kolanvändningen kan minimeras. Idag görs mätningar genom provtagning på slaggen i efterhand men det finns inga möjligheter till aktiv processtyrning. IronArc är också väl lämpad för metallåtervinning eftersom relativt förorenade råvaror kan användas, tex med hög fosfor och svaveloxidhalt och även hög halt av koppar. Koppar kan avskiljas i metallisk form var vid man får ett återvunnet stål av hög kvalité samtidigt som kopparn tas om hand. Att kunna återkoppla kemisk information skulle kunna förbättra dessa processer. Projektdeltagarna från Acreo Swedish ICT har erfarenhet från tidigare projekt med stålindustrin där man anpassat spektroskopiska tekniker för mätningar i masugn. Acreo har även utvecklat instrumentation för realtidsanalys av metallskrot för sorteringsändamål. Kunskapen och metoderna för att mäta i dessa miljöer finns alltså redan varför fokus inte kommer att ligga på att utveckla instrumentation. 3 Projektets idé Projektets idé är att utreda möjligheterna till beröringsfri kemisk analys i realtid i IronArc-processen. Ett särskilt mål är att kunna kontrollera och optimera reduktionen av järnoxid till järn och därigenom minska användningen av kol och förlusterna av järnoxid till slaggen. Det är också ett mål att utreda möjligheterna till att använda samma eller närliggande teknik for andra mätningar, tex av metalloxider i andra framställningsprocesser eller av föroreningar i smältan. Ett exempel är mätning av kromoxid vid framställning av rostfritt stål i ljusbågugnar. I denna process förloras dyrbart krom till slaggen i form av kromoxid och idag görs mätningar på slaggen i efterhand för processtyrningsändamål. 4 Potential Eftersom projektet är en förstudie förväntas inga resultat i form av ny teknik eller konkreta tekniska implementationer. Däremot förväntas studien ge ny kunskap samt skapa förutsättningar för framtida forsknings- och teknikutvecklingsprojekt. 4.1 Bidragspotential Studien skall underlätta för nya projekt och införande av nya tekniker genom:
3 (5) Kunskap om hur kemisk information ska behandlas och återkopplas för effektiv processtyrning. Bättre förståelse för varifrån och i vilket skede data skall insamlas (tex ifrån slaggen eller från smältan, tidigt eller sent i processen osv., Att utgöra underlag för teknikval för kemisk analys i den aktuella miljön. De projekt som i framtiden kan tänkas baseras på förstudien kan öka effektivisering och tempot i aktörernas innovationsutveckling genom: Bättre förutsättningar för processåterkoppling från metallsmältor och slagg. Bättre förståelse för kinetiken för järnoxidreduktion. Effektivare användning av kol i IronArc processen. Effektivare användning av krom i ljusbågugnar. Bättre förståelse för föroreningars närvaro i olika processkeden. Bättre förutsättningar för metallåtervinning. Efter avslutat projekt kommer projektparterna aktivt att verka för nya partnerskap och projektkonsortier för att kunna förverkliga tillämpningar baserade på förstudien. 4.2 Resultatmål Förstudien skall följande resultat vara uppnådda: Det skall vara utrett vilka beröringsfria kemiska analyser som är praktiskt möjliga i den aktuella miljön och vilka hänsyn som måste tas för implementationen. Det skall finnas konkreta förslag på hur informationen från analyserna kan användas för processtyrning. Det skall vara utrett huruvida och i så fall hur järnoxidreduktionen kan mätas i realtid och hur den informationen skall återkopplas i processtyrningen för att minska användningen av kol. Detta är direkt användbart i IronArc-processen. Det skall finnas konkreta förslag på andra tillämpningsområden tekniken är tillämpbar på. Tex mätning av andra metalliska oxider som kromoxid eller metalliska eller icke-metalliska föroreningar. 5 Aktörer Projektet har totalt tre parter: en industripart, ScanArc Plasma Technologies AB, ett institut, Acreo Swedish ICT AB, och Innovationsnätverket Fiber Optic Valley. ScanArc Plasma Technologies AB Kommer att arbeta aktivt i projektet bidrar med kompetens inom ståltillverkning och metallurgiska tillverkningsprocesser.
4 (5) ScanArc kommer att kunna använda projektresultaten som en utgångspunkt för framtida utvecklingsprojekt och tester i deras experimentanläggning. Acreo Swedish ICT Koordinerar projektet och bidrar med teknisk och vetenskaplig kompetens inom beröringsfria kemiska mätmetoder. Acreo har sedan tidigare erfarenhet av spektroskopiska mätningar på just metallsmältor och kompetens inom flertalet relevanta mätmetoder. Acreo har också erfarenhet av simuleringar och rimlighetsanalyser av dessa och liknande problem. Acreo avser använda projektresultaten för framtida utvecklingsprojekt både med ScanArc och andra industriparters. Fiber Optic Valley Fiber Optic Valleys roll i detta projekt är att ta till vara och sprida projektresultaten och hjälpa till med att skapa nya partnerskap för framtida FoU-projekt. 6 Genomförbarhet 6.1 Projektplan 6.1.1 WP1-Sammanställning av behov och förutsättningar Denna del av projektet skall besvara följande frågor: Vilken kemisk återkoppling är relevant? Vilka processmässiga fördelar finns att vinna? Vilka koncentrationer skall mätas och hur noggrant? Vilka är förutsättningarna (temperatur, kemi, värmestrålning, variationshastighet, etc)? 6.1.2 WP2-Utredning av tillämpbara tekniker Denna del skall besvara följande frågor: Vilka tekniker är tänkbara givet förutsättningarna och behoven? Vad krävs för att de ska kunna användas i den aktuella miljön? Vilken data kan extraheras (kvantifiering genom simuleringar, beräkningar)? 6.1.3 WP3-Resultatsammanställning och tillämpning Denna del sammanfattar projektet och innehåller även en plan för framtida projekt. Resultatet från denna del ska innehålla: En sammanställning av behov, förutsättningar, tillämpbara tekniker Förslag till FoU-projekt. Förslag till implementation av resultaten. Förslag till framtida konsortier för samarbete.
5 (5) 6.2 Nyttiggörande av resultaten Resultaten skall ligga till grund för forsknings- och utvecklingsprojekt. Ett nästa steg kan vara att implementera någon eller flera av de metoder som förstudien föreslår i ScanArcs experimentanläggning i Hofors. Fiber Optic Valley kommer att öka möjligheterna till att sprida resultaten utanför konsortiet och också aktivt bidra med att bilda nya samarbeten för framtida projekt baserade på resultaten. 7 Projektets kostnader och finansiering kr Acreo ScanArc FoV 2014 2015 2014 2015 2014 2015 Löner - wp1 40620 0 24000 0 0 0 Löner - wp2 13540 108320 0 16000 0 0 Löner - wp3 0 67700 0 16000 0 12000 Resor 4000 12000 0 0 0 0 Summa 58160 188020 24000 32000 0 12000 In-kind 0 0 20000 28000 0 12000 sökta medel 58160 188020 4000 4000 0 0 Total budget: In-kind: Sökt finansiering: 314 180 SEK 60 000 SEK 254 180 SEK