Tillverkningsprocesser för stål
Stål är ett av världens viktigaste material och kan tillverkas både av järnmalm och återvunnet skrot. Här förklarar vi hur stålet framställs, hur återvinningen fungerar och varför stål spelar en central roll i omställningen till ett mer resurseffektivt och klimatanpassat samhälle.
Stål
Stål är en järnlegering som innehåller minst 50 % järn och högst 2 % kol. Stålets egenskaper påverkas i sin tur bland annat av den kemiska sammansättningen, det vill säga halterna av järn, kol och övriga legeringsämnen. Genom att anpassa sammansättningen får stålet egenskaper som skiljer sig avsevärt från både rent järn och de rena legeringsämnena.
Så tillverkas stål
Stål kan tillverkas utifrån två huvudsakliga järnråvaror, antingen baserat på järnmalm eller på återvunnet skrot. Vid användning av järnmalm som råvara behöver materialet genomgå en reduktionsprocess för att separera järn från syre. När stål tillverkas från skrot behöver det smältas om för att nya stålprodukter ska kunna produceras. Efter smältning och gjutning värms stålet upp för att genomgå vidare bearbetning. En schematisk översikt av stålindustrins tillverkningsprocesser visas i (här krävs en figur) och mer detaljer om hur processerna går till beskrivs i nedanstående text.
Tre processvägar inom svensk stålindustri.
- Järn- och ståltillverkning med malmbaserad råvara, via masugn
- Malmbaserad järnpulvertillverkning via tunnelugn, Höganäsprocessen.
- Ståltillverkning med skrotbaserad råvara via ljusbågsugn.
Stålproduktion med malmbaserad råvara, via masugn
Järn är det fjärde vanligast förekommande elementet i jordskorpan. Det förekommer dock i mycket liten utsträckning i form av rent järn, utan nästan uteslutande bundet i förening med syre, svavel eller andra element.
För järn- och ståltillverkning används järn bundet med syre till någon form av järnoxid. I vissa områden förekommer järnoxid i sådan omfattning och koncentration att förekomsten blir brytvärd, d.v.s. järnmalm. Järnet separeras från syret med hjälp av en varm reduktionsprocess där kol, i form av koks, är det vanligast förekommande reduktionsmedlet.
Masugnsprocessen är den mest använda metoden och står för ungefär 75 % av allt stål som produceras globalt. I en masugn fylls råmaterial på uppifrån hela tiden med järnmalm i form av järnpellets eller sinter, koks och kalk. Från bottenblåser man in förvärmd luft och extra reduktionsmedel som kolpulver. Tillsatsen av kalk gör att eventuella rester av gråberg i järnmalmen, så kallad gångart, smälter och kan separeras från råjärnet i form av slagg. I toppen och mellanskiktet av ugnen sker reduktionen vid relativt låga temperaturer, 100-1000°C. Järnoxiderna reduceras här till lägre oxider av den koloxid som tillsammans med koldioxid strömmar genom ugnen. I ugnens nedre del, vid betydligt högre temperaturer, upp till 2200°C, sker även direkta reaktioner mellan kol och järnoxid. Det smälta järnet – råjärnet – rinner ner och samlas upp i botten av ugnen och har en temperatur på cirka 1500°C och en kolhalt på 4–5 % när det tappas ut. Den överskottsgas som uppstår i masugnen, masugnsgas, är brännbar och kan återanvändas som bränsle i processer eller för värme- och elproduktion.
Råstål från råjärn
Det råjärn som tappas ur masugnen har en kolhalt på 4–5 %. Stål innehåller som mest cirka 1,7 % kol för att vara bearbetningsbart genom smide eller valsning och normalt krävs betydligt lägre halter än så. Som ett exempel kan nämnas att ett vanligt konstruktionsstål innehåller cirka 0,1 % kol. Råjärnet måste därför processas vidare. Ståltillverkningens huvuduppgift är att förändra råjärnets sammansättning till det slutliga stålets specifikation. Huvudsakligen är det en fråga om att sänka kolhalten vilket görs genom att kolet bringas att reagera med syre till koloxid.
Processen benämns färskning och sker genom att man blåser ner syrgas i det flytande råjärnet från masugnen. Processen genererar värme och därför tillsätts skrot som kylmedel motsvarande cirka 20 % av volymen i detta steg.
Nya processer för vätgasbaserad järnframställning ur malmbaserad råvara
Vätgasbaserad framställning av järnsvamp är en ny råvaruväg för stålframställning ur malmbaserad råvara och en central del i omställningen mot en fossilfri värdekedja. I processen reduceras järnmalmspellets med vätgas i stället för kol, vilket innebär att vattenånga bildas som restprodukt i stället för koldioxid. Den färdiga produkten, direktreducerat järn – även kallat järnsvamp – används som råvara i ljusbågsugnar, ofta i kombination med skrot. Järnsvampen har låg halt av oönskade föroreningar och bidrar till jämn och hög stålkvalitet. I Sverige pågår flera satsningar inom området, bland annat genom HYBRIT och Stegra, som utvecklar och industrialiserar vätgasbaserad direktreduktion av järnmalm. Dessa initiativ visar hur järnsvamp kommer bli en viktig kompletterande råvara till skrot i framtidens stålproduktion.
Höganäsprocessen
Höganäs AB tillverkar järnpulver genom att reducera järnmalm i rörformade kärl med koks, antracit och kalksten. Kärlen hettas upp i en tunnelugn till 1200°C, och koloxid från koksen omvandlar malmen till järn. Kalksten binder svavel från koksen. Efter kontrollerad kylning krossas järnsvampen, värmebehandlas för att justera kol- och syrehalter, och mals slutligen till pulver.
Ståltillverkning med skrotbaserad råvara via ljusbågsugn
Skrot är en central råvara i stålproduktion med ljusbågsugn och utgör en viktig del av ett resurseffektivt och cirkulärt materialflöde. Genom att smälta om uttjänta produkter av järn och stål kan nytt stål tillverkas utan kvalitetsförluster, samtidigt som behovet av nyproducerad järnråvara minskar. Skrotet sorteras i olika kvaliteter beroende på ursprung, dimension och kemisk sammansättning, vilket gör det möjligt att anpassa skrotblandningen till det stål som ska framställas. I ljusbågsugnen används el som huvudsaklig energikälla för att smälta skrotet, som därefter raffineras vidare till önskad stålkvalitet.
Standardprocessen i ljusbågsugnar är utformad för maximal effektivitet, där ugnen drivs med hög effekt och spänning under största möjliga tidsperiod. En betydande slaggvolym krävs för att minimera strålningsslitage på ugnsväggarna, varför kolpulver och syrgas tillsätts för att öka gasbildningen och jäsningen av slaggen. Denna metod reducerar den totala energiförbrukningen.
Vid tillverkning av rostfritt stål har slaggen särskild sammansättning och egenskaper jämfört med kolstålproduktion, där koltillsatsen begränsas så långt det är möjligt. Efter smältning av rostfritt stål följer konverterprocesser där kolhalten sänks samtidigt som värdefulla legeringsämnen bevaras.
Klimatomställningens påverkan på processerna
Den svenska järn‑ och stålindustrin befinner sig i en omfattande omställning som i grunden förändrar hur järn och stål produceras, liksom hur råvaruflödena ser ut. Drivkraften är framför allt behovet av att minska klimatpåverkan, vilket leder till att kolbaserade processer successivt ersätts med elektriska processer och vätgasbaserad direktreduktion. Utvecklingen innebär att stålproduktion i allt större utsträckning sker i ljusbågsugnar med en kombination av skrot och järnsvamp som råvaror, medan masugnsbaserad produktion fasas ut. Därmed förändras också efterfrågan på skrot i Sverige: skrot förblir en central och eftertraktad råvara, men kompletteras i ökande grad av järnsvamp för att säkerställa tillgång till ren och jämn järnråvara. Sammantaget leder omställningen till nya råvarukombinationer, förändrade materialflöden och ett mer cirkulärt och fossilfritt stålproduktionssystem.
Skänkbehandling/raffinering
Den slutliga färdigställningen av det flytande stålet, malmbaserat såväl som skrotbaserat, sker under någon form av skänkmetallurgisk process. Typiska färdigställningsoperationer är svavelrening, sänkning av syrehalten, kväve- och väterening, tillsats av de legeringsämnen som krävs för att stålet ska få sin avsedda sammansättning samt temperaturinställning inför gjutningen. Vid skänkbehandling kan, i vissa fall, en kompletterande värmning utföras i skänken. Värmningen sker vanligen på elektrisk väg, med liknande elektroder som i ljusbågsugnar.
Gjutning
I samband med ståltillverkning används tre olika metoder för att gjuta det flytande stålet, göt- respektive stränggjutning samt atomisering.
Vid götgjutning används en eller flera gjutformar, så kallade kokiller, där stålet gjuts. Kokillernas storlek är noggrant anpassad till efterföljande bearbetningsprocesser och produktens dimensioner. Vanligen fylls flera kokiller samtidigt, och det flytande stålet leds in i kokillens botten via ett keramiskt rör. Genom att fylla kokillerna underifrån säkerställs en stabil och kontrollerad fyllningsprocess.
Stränggjutning innebär att stålet bearbetas i ett kontinuerligt flöde. Det smälta stålet förs till gjutmaskinen i en skänk, där det först hamnar i en gjutlåda innan det går vidare till en eller flera vattenkylda kopparkokiller. I dessa kokiller bildas ett hårt skal runt stålet, och strängen tas ut från botten av kokillen med drivrullarnas hjälp. När stålskalet passerat kokillen måste det vara tillräckligt starkt för att klara den flytande stålmassans tryck. Den fortsatta stelningen sker genom att strängen kyls direkt med vatten eller dimma. När stelningen är klar delas strängen upp i ämnen av passande längd.
Atomisering är en form av gjutning för tillverkning av stålpulver där smältan sönderdelas med hjälp av vatten eller gas.
Stränggjutning är i dag den dominerande metoden, framför allt, på grund av det högre materialutbytet i jämförelse med götgjutning.
Götgjutning används framförallt vid gjutning av stålsorter med högt legeringsinnehåll eller då man är i behov av ämnen av större format. Tillverkningen av stålpulver förväntas öka i omfattning, bland annat drivet av den tekniska utvecklingen av additiv tillverkning.
Värmning/värmebehandling
Innan det gjutna stålet levereras till kunden bearbetas det genom flera steg, som exempelvis valsning eller smide, för att ge rätt egenskaper och form. Bearbetningen kan ske både när materialet är varmt eller kallt, där det vid varm bearbetning värms upp i ugnar till omkring 1250 °C för att kunna valsa eller smida. Dessa processer bidrar till att öka stålets densitet och homogenitet, minska porositeter och inneslutningar samt skapa den form som behövs för vidare bearbetning eller leverans till kund.
Efterbehandlingar
Olika värmebehandlingar kan också förändra stålets egenskaper. Härdning utförs exempelvis för att göra stålet hårdare och sker genom att stålet under mycket kontrollerade former först hettas upp och därefter kyls. Anlöpning, glödgning, kylning och svalning är exempel på andra termiska efterbehandlingar.