Det glänser under ytan

Låt oss uträtta stordåd tillsammans Kunskap, erfarenhet och konfidentialitet gör Swerea MEFOS till en attraktiv samarbetspart. Vi presenterar oss som forsk are och tekniker. Tillsammans med våra kunder och samarbetspartners får vi extra krafter och uträttar stordåd. Swerea MEFOS vänder sig till stål- och metallindustrin, leverantörer och andra intressenter. Swerea MEFOS erbjuder tillämpad forskning och utveckling liksom konsultuppdrag och utbildning. Vi skapar, förädlar och förmedlar resultat inom processmetallurgi, värmning, bearbetning, miljöoch energiteknik, allt med hög leveranssäkerhet. Swerea-familjen Swerea samlar flera svenska forskningsinstitut inom materialområdet. Samarbetet ger finansiell styrka i internationella utvecklingsprojekt, effektiv fokus och forsknings överblick samt ett stort och kompetent kontaktnät. Swerea-koncernen ägs av industrin samt svenska staten. Samarbetet mellan instituten är etablerat och kommer att utvecklas allt mer. I industriella processer finns många metoder som med fördel kan användas för att utveckla processer inom helt andra områden än de ursprungliga. Swerea IVF Industriell produktframtagning, process- och materialutveckling, textil, polymerer, keramer. Swerea KIMAB Materialanvändning, material- och processutveckling, korrosion. Swerea MEFOS Processmetallurgi, värmning, bearbetning, miljöteknik och energi effektivisering för järn- och basmetallindustrin. Swerea SICOMP Kompositmaterial, process- och produktutveckling. Swerea SWECAST Gjutna metaller produkt-, material-, process- och miljöutveckling. 3

Mats Karlberg Roliga att arbeta med Med hjälp av matematik och fysik beskriver Mats Karlberg och hans kolle gor vad som händer, eller kommer att hända när man värmer, valsar eller smider stål. Vad orsakar ett visst fenomen och vilka justeringar skulle kunna påverka resultatet? Allt går att göra bättre. Det är som att komponera musik, det tar aldrig slut. Det finns hela tiden nya varianter och kombinationer att utveckla. Mats Karlberg använder simuleringar för att efterlikna hur ett material beter sig. Mitt område är platta produkter, framför allt är det valsning och kylning som vi modellerar. Simulering är en effektiv metod för att lösa problem och förbättra processer, säger Mats Karlberg. För varje problem bygger Mats Karlberg en modell som grund för simuleringarna. Han använder delar av sådant han själv har gjort tidigare och av det som andra har gjort. Modellering är verkligen kul! Det är ett komplicerat hantverk som jag förkovrar mig i varje dag. Det börjar med en process eller ett fenomen som jag ska försöka säga något om innan det har hänt. För att bygga en bra modell måste jag verkligen förstå processen in i minsta detalj. Av hundratals parametrar ska jag välja de rätta, ofta bara en handfull. Vilka kan vi ta bort, vad är viktigt för just detta problem? I projekten samverkar experter från Swerea MEFOS och från medlemsföretagen. De provar sig fram och finslipar processerna, bland annat med hjälp av simuleringar, för att uppnå önskvärda kvaliteter och produktegenskaper. De matematiska verktygen är till exempel FEM eller CFD. FEM är ett kraftfullt verktyg för modellering av något som ska deformeras, men beräkningarna tar lång tid. En stor modell kan ta en vecka att köra, trots god beräkningskapacitet. Jag använder FEM bara när det verkligen behövs, ofta klarar man sig utan. Det finns gott om gamla teorier och metoder inom matematiken och fysiken att nyttja. Med dagens teknik blir de verkligen användbara, säger Mats Karlberg. När Mats Karlberg arbetar med ett problem händer det ofta att han även får fram resultat som inte är användbara just då. Dem sparar han för kommande användning. Tillsammans med influenser från tidskrifter och vetenskapliga konferenser kan de leda till nya projektförslag som han förankrar hos det eller de företag som har nytta av dem. Men oftast är det företagen som kommer till Swerea MEFOS med ett problem som de vill ha hjälp att lösa. Mats Karlberg drivs av ett genuint intresse för sitt arbete och för problemlösningen i varje enskilt projekt och uppskattar särskilt det nära samarbetet med industrin. Det förkortar vägen från teori till praktik. Han strävar förstås alltid efter att resultaten ska implementeras men det beslutet ligger inte i hans händer. Ofta går det inte att förändra själva grundprocessen eftersom styrsystemen är förprogrammerade och mer eller mindre slutna. Men genom att spåra problemet och sammanställa fakta blir resultaten vägledande vid nästa investering. Självklart finns det också många förändringar som kan genomföras direkt. Det har vi gott om exempel på. Problemet kanske är att materialet blir buckligt, ojämnt eller för mjukt. Ofta handlar det då om att hitta felet och sedan justera den delen av processen, till exempel kylningen, för att undvika kvalitetsbrister. Och allt är inte konfidentiellt, många resultat får alla tillgång till. Projekten leder dessutom till att vi bygger vidare på den allmänna kunskapsbank som är Swerea MEFOS och våra kunders viktigaste tillgång, säger Mats Karlberg. I hela världen produceras det ungefär 1 300 miljoner ton stål. Nordens del av det är drygt 10 miljoner ton (www.worldsteel.org, 2008). Mats Karlberg menar att som liten stålproducent måste man se till att ha kvaliteter som de andra inte har och som inte går att kopiera. Flera av våra medlemsföretag är världsledande inom sin nisch. De producerar exempelvis kirurgstål, verktygsstål och extremt höghållfast plåt med unika egenskap er. Det är inte lika hård konkurrens i smala marknadssegment, säger Mats Karlberg. 5

annika nilsson Lösningsorienterade Jag gillar själva energin i varmvalsning, det är häftigt, säger Annika Nilsson. Ämnena är över tusen grader varma, de glöder och strålar hetta när man valsar dem. Principen för valsning är egentligen enkel, men det finns så många detaljer att ta hänsyn till. Hela processen sker i valsgapet, med enorma krafter i ett litet område, säger Annika Nilsson. Valsning är en gammal teknik och strävan har alltid varit att deformera jämnt. Mycket kan gå fel när man valsar, säger Annika Nilsson. Ofta kommer företagen till oss med specifika problem. De kanske får en bananform på bandet, eller sneda ämnen. Vad beror det på och hur kompenserar man för det? Det gäller att lägga pusslet och hitta orsaken. Vi pratar med operatörerna, som känner sitt vals verk och gör observationer under drift. När vi kommit fram till en teori testar vi den, antingen på plats hos kunden eller i vår pilotanläggning. Annika Nilsson beskriver hur pusslet läggs. En orsak kan vara temperaturfördelningen från ugnen. Om stålämnet är kallare på ena sidan blir stålet hårdare att deformera där, det kan ge en bananform. Kanske ser dessutom temperaturfördelningen olika ut i olika ämnen. Och om bara vissa band får den oönskade formen men inte andra kan det också vara stickschemat som är problemet. En annan orsak kan vara att valsarna inte är helt plana och att valsgapet har ställts in snett. Då förlängs stålämnet mer på ena sidan. Men valsgapet ställs in på olika sätt. Det är inte säkert att krafterna på båda sidorna ska vara helt lika. Det är mycket reglering i den mätutrustningen, säger Annika Nilsson. Annika Nilsson kan processen och reglersystemen. Hon vet vad man kan skruva i och inte. Alla parametrar går inte att ändra. I industrin är det viktigt med robusta modeller. Man strävar efter att hålla nere antalet parametrar, säger hon. Varmvalsning är en svår process att studera och mäta. Hettan är enorm, det ryker och ångar. Men tekniken utvecklas ändå kontinuerligt, till exempel för att kunna valsa tunt. När man valsar många stick och ämnet blir tunnare så strålar värmen ut snabbare, materialet kallnar. Utvecklingen handlar om att hinna valsa tillräckligt tunt innan ämnet är för kallt. Många parametrar spelar in. Kanterna kyls snabbare än mitten, och kylningen är olika på över- och undersida. Och varje valsverk har sin maximala valskraft. Syftet med många av Annikas projekt är kvalitetsförbättring, men det finns även andra vinster att göra. När stålet har kommit så långt som till valsning har redan stora mängder energi förbrukats. Färre fel ger mindre material att kassera och smälta om. Det betyder mycket, både ekonomiskt och miljömässigt. Att tillverka något som måste kasseras är att slösa med resurser. Om man kan minska spillet, och göra rätt från början tack vare våra utvecklingsprojekt så är mycket vunnet, säger Annika Nilsson. Bildbehandling är ett område där Annika ser stor utvecklingspotential. Med hjälp av kamera och mjukvara kan olika steg i processen dokumenteras och analyseras på ett sätt som tidigare varit omöjligt. Till exempel har jag gjort ett system för att kontrollera ämnena efter glödskalsrensningen. Är allt glödskal borta? Om vi kan vidareutveckla metoden och göra den automatisk ger det betydande kvalitetsförbättringar i nästa steg. Det skulle också öka spårbarheten när kvalitetsbrister analyseras. Även formen skulle kunna studeras med hjälp av automatisk bildbehandling. Skjuvning är annars det som kollegor runt om i världen mest förknippar med Annika Nilsson. Hennes resultat har presenterats och diskuterats på konferenser och i vetenskapliga publikationer. Hon har nämligen visat vad som händer i materialet när skidspetsen plötsligt ändrar riktning. Deformationen i materialet mellan valsarna är diagonal och syns som ett skjuvkors i genomskärning, vid en större deformation får du två skjuvkors, och då ändras riktningen på skidspets en. Vid tre skjuvkors ändras den igen. Tidigare har man bara vetat att de här vändpunkterna kommer, men inte varför. Det här kan vara nyckeln till många problem som uppstår vid valsning. Jag tror att det är viktigt men vi behöver studera det vidare för att förstå fenomenet fullt ut. 6

mikael larsson Professionella Detaljer och specifika problem är fokus för många forskare, men för Mikael Larsson är det helikopterperspektiv som gäller. Mikael analyserar ståltillverkning via de processer som ingår. Processintegration handlar om överblick, insikt i hur det ena påverkar det andra. Vi gör känslighetsanalyser för att se vad som ger vad. En del processer tar ut varandra, andra adderar ihop. Analysen måste göras på ett strukturerat sätt för att resultatet ska bli tolkningsbart, säger Mikael Larsson. Både energifrågor och produktivitetsfrågor är övergripande. Den som sitter i ledande ställning i industrin och gör strategiska övervägningar behöver förstå hur olika processer hänger ihop och påverkar varandra. För att hitta flaskhalsarna i produktionen vill man studera processernas samspel. Totaleffekten blir transparent genom att titta på alla de tillfällen när förbättringar i enskilda processer inte är bra för helheten, säger Mikael Larsson. Prisma är en centrumbildning på Swerea MEFOS och det är där Mikael Larsson har sin hemvist. I Prisma samverkar företag, forskningsinstitut och akademi för att utveckla processinte gration för stålindustrin. För Swerea MEFOS del innebär samarbetet i Prisma att man bygger upp ny kompetens som blir en naturlig del av verksamheten. Ett stort användningsområde är miljökonsekvensbeskrivningar, då är det ofta nödvändigt att göra en helhetsbedömning. Vi har märkt ett stort intresse för detta även internationellt. Vi bidrar med kompetens inom processintegration i olika EU-projekt, säger Mikael Larsson. Swerea MEFOS har en viktig roll i Europaprojektet Ulcos. Det är europeiska stålindustrins samarbetsprojekt för halvering av CO 2 -emissioner från ståltillverkning. Ny masugnsteknik demonstreras i LKAB:s experimentmasugn vid Swerea MEFOS, samtidigt som LKAB och Swerea MEFOS leder utvecklingen av ny teknik för direktreduktion. Mikael och hans kollegor inom Prisma jobbar med att analysera hur den nya tekniken passar in i våra medlemsföretags produktionssystem. Att minska utsläppen men behålla och öka produktiviteten är en stor utmaning för stålindustrin. Swerea MEFOS är världsunika i den utvecklingen. Dels tack vare kompetensmixen dels för att man har kapacitet och utrustning för storskaliga försök. Vi har den kritiska massan både för kompetens och för utrustning. Dessutom är vi inte knutna till en leverantör utan står fria i våra analyser. Det bidrar till att vi ses som en god samarbetspart i projekt. Mikael och hans kollegor ser kopplingar till många andra branscher. Det vi lär oss i försöken kan nyttiggöras i många sammanhang. En produkt som är avfall från en process kan bli någon annans råmaterial. Det är så vi får ett resurseffektivt samhälle, säger Mikael Larsson. 8

GOUZHU YE Hög sekretess Från bandgjutning till CO2-separation. Från metallurgi till petroleumindustri. Guozhu Ye överför kunskap från stålverk ens processer till helt andra områden. Han ser kopplingarna. Metallurgisk teknik kan appliceras på många områden där ämnen kan styras exakt till olika fraktioner där de ska vara, säger Guozhu Ye. Kan du se metallurgins koppling till lätta miljöbilar, solceller, kärnkraft, bioenergi, eller den vackra miljön kring New Yorks hamn? Sådant jobbar vi med dagligen. Ja, jag kan till och med associera metallurgin till sushi. I ett projekt från Japan omvandlar vi en restprodukt till ett material som är lämpligt att använda i marin miljö för sjögräs- och skaldjurproduktion. Vi upparbetade även kontaminerade sediment från New Yorks hamn. Arbetet som forskare på Swerea MEFOS är entreprenöriellt i den meningen att forskarna kan identifiera och utveckla egna projekt tillsammans med kunderna. Projekt som de sedan genomför från ax till limpa. Kommersialiserbara resultat från forskningsprojekten får företag ta över och vidareutveckla. Vi patenterar inte. Det gör oss också fria som forskare, vi bygger inte in lojalitetskonflikter, säger Guozhu Ye. Swerea MEFOS internationella kunder återfinns ofta i andra branscher än ståltillverkning. Ibland är de intresserade av tidigare MEFOS-projekt där resultat nu kan vidareutvecklas i nya sammanhang. I deras val av samarbetspartner är konfidentialitet mycket viktigt, och där har vi gott renommé. Vi har tydliga regler och en väl utvecklad intern kultur kring detta, säger Guozhu Ye. Exempel på kunskap som länkar till andra områden och leder vidare är utveckling av materialet inuti gjutlådan vid bandgjutning som lett vidare till utveckling av gjuteriteknik för till exempel insatser i kärnbränslekapslar. Materialet har egenskaper som lämpar sig väl för det ändamålet. Om det visar sig fungera så blir nästa steg att göra en prototyp och ett större projekt. Swerea MEFOS är också med i ett internationellt projekt för att omvandla kemiskt avfall från petroleumindustrin till vätgas. Inom återvinning och miljö ser Guozhu Ye stora utvecklingsmöjligheter. Det pågår ständigt miljörelaterade projekt på Swerea MEFOS, med uppdragsgivare från hela världen. Bara ifjol, krisåret 2009, hade vi två stora forskningsprojekt från USA och Japan värda över 20 miljoner kronor, säger Guozhu Ye. Ett stort nationellt miljöprojekt är VILD, Vanadin i LD-slagg, finansierat av Mistra (Stiftelsen för miljöstrategisk forskning) samt svenska och finska företag. Det handlar om att i stor skala ta vara på vanadin i restmaterial från ståltillverkning. Det är nära verklighet nu. Guozhu Ye berättar att vanadinhaltig slagg orsakar dels att värdefullt vanadin går till spillo och dels att slaggens användningsområden som fyllnadsmaterial, cement och jordförbättrare blir begränsade, eftersom gränsvärden på vanadinhalten är låg. Jag är övertygad om att vi kommer att lyckas utveckla vår metod så att den kan tas i allmänt bruk på stålverk, säger han. Även magnesiumprocesser studeras på Swerea MEFOS. Här hämtar vi idéer från ett projekt där man provade separera CO-gas från vätgas. Vi härmar processen och separerar magnesiumgas från CO-gas och gör processen billig och energisnål. Kopplingarna mellan stålindustrin och andra industrier är intressanta, säger Guozhu Ye. 11

birger wahlberg Hög leveranssäkerhet Vanadin har den kemiska beteckningen V och har atomnummer 23, Vanadin är skiftande stålgrått, mjukt och plastiskt formbart. Ämnet är uppkallat efter gudinnan Vanadis på grund av dess vackra färger. Att utvinna vanadin från ståltillverkning är en av de utmaningar som Birger Wahlberg har arbetat länge med. Vanadin är mycket dyrt. SSAB producerar årligen ca 4 miljoner ton råjärn med omkring 0,3 procent vanadinhalt. Vanadinet har sitt ursprung från järnmalmen, och hamnar sedan i LD-slaggen vid ståltillverkningen. Ungefär hälften av slaggen återförs till masugnen medan resten går till deponi. Det motsvarar 5000-6000 ton vanadin per år. Det ungefärliga värdet av vanadinet är ungefär 1 miljard svenska kronor, säger Birger Wahlberg. Vanadin används mest för att legera verktygsstål eftersom det ökar stålets formbarhet och seghet. Det finns vanadingruvor huvudsakligen i Sydafrika, Kina och Ryssland. Att lyckas separera vanadin från slagg ingår i de allt tuffare miljö kraven för stålindustrin. Det finns utmaningar med att utvinna vanadin ur slagger. Detta eftersom vanadin ligger kemiskt nära framförallt fosfor, som är ett föroreningselement i ståltillverkning. Andra problem som Birger ställs inför kan till exempel handla om att detektera inneslutningar i stål, att följa processen bakåt och analysera prov från chargen. Birger och hans kollegor kommer ofta till kunden med Swerea MEFOS mobila utrustning och gör driftförsök på plats i fullstor skala. Inneslutningar är smuts och början till sprickbildning. Det är en viktig kvalitetsfråga, säger Birger Wahlberg. Birger berättar att det stora nu är att ta tillvara restprodukter. Det bästa är om man kan återanvända dem i processen men ibland kan de även användas till annat. Deponi ska undvikas, säger han. Ett sätt att ta tillvara restprodukter är att pulverisera material i den så kallade tornadon. Ett företag i Skellefteå har köpt patentet och i Swerea MEFOS försökshall finns en testanläggning där tornadotekniken utvecklas. Luftströmmen bildar en tornado som torkar och finfördelar till stoft. Med magneter kan järn utvinnas. Tekniken är spännande och kommer att kunna separera många andra partiklar också. Det måste vara världens billigaste sätt att torka material, principen upptäcktes av en bonde som såg att allt var tröskat på fältet efter en tornado, säger Birger Wahlberg. Birger Wahlberg har vänner över hela världen, och han har lärt känna dem i stålverk, valsverk och gjuterier. Birger har genomfört projekt i Skandinavien, Europa, Afrika ja han talar om 40-50 ställen. Man jobbar sällan ensam. Vi kan sätta ihop ett team och hoppa in i de flesta projekt med hög utgångsfart. Sammantaget på Swerea MEFOS har vi mycket hög kompetens. Vi har löst det mesta som kommit i vår väg och lärt oss mer under tiden. Vi har nöjda kunder, de får snabba svar och kan höja kvalitet och produktionskapacitet, säger Birger Wahlberg. 12

Swerea MEFOS Kompetensområden Swerea MEFOS skapar, förädlar och förmedlar kunskap nationellt och internationellt. Reduktionsprocesser Malmbaserad ståltillverkning Skrotbaserad ståltillverkning Skänkmetallurgi Gjutning Legeringar Basmetaller Miljöteknik och återvinning Energibesparingsteknik Utveckling i pilot utrust ning Processtyrning Dataanalys Mätteknik Modellering och simulering Ämnesslipning Värmning och värmebehandling Varmvalsning Kallvalsning Friformsmidning Riktning Processintegration Utrustning Swerea MEFOS har pilot- och försöksutrustning för hela metallurgiska processen från smältugnar till vals- och riktverk samt kraftfulla analys- och simuleringsverktyg. Dessutom finns miljötillstånd, god infrastruktur och utrymme för ytterligare om- och tillbyggnationer. AC-/DC-ugnar Universalkonverter Gasreningsutrustning Gjutsimulator Skänkmetallurgisk utrustning Värmningsugnar Ämnesslipmaskin Valsverk Kylsträckor Smidespress Riktverk 14

Finansiering Företag 75 % Varav 25-30 % inter- Offentliga finansiärer/eu 25 %} nationell finansiering Erbjudande Medlemskap Gemensam forskning Uppdragsforskning Konsultationer Utbildning Kurser/seminarier Programvaror och produkter Prototyptillverkning Försöksledning Medlemskap Medlemmarna har prioriterad tillgång till forskare och utrustning med 20 procents rabatt. Via programråd lägger medlemmarna fast inriktningen på den gemensamma forskningen och de har fri tillgång till resultat och mjukvaror. En extra bonus är den effektiva tillgången till hela Swerea-koncernens forskningsresurser. Vanligtvis växlas medlemmarnas insatser upp 4-5 gånger. Konfidentiellt Swerea MEFOS har väl utvecklade rutiner samt en stark företagskultur för att ta hand om strikt konfidentiella uppdrag. Nätverket Medlemsföretag Associerade medlemmar Internationella industriföretag Swereainstituten Universitet Forskningsinstitut Jernkontoret 15

www.swereamefos.se Box 812, 971 25 Luleå Tel: 0920-20 19 00 E-post: mefos@swerea.se